Methodenartikel

Gecombineerd Invasieve Subcortical en niet-invasieve Surface Neurofysiologische Opnames voor de evaluatie van cognitieve en emotionele functies in Humans

10.6K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/53466

⸱

19 mei 2016

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Institute of Clinical Neuroscience and Medical Psychology, Medical Faculty, Heinrich-Heine-University, 2Department of Neurology, Center for Movement Disorders and Neuromodulation, University Clinic Düsseldorf, 3Department of Neurosurgery, Functional Neurosurgery and Stereotaxy, Center for Movement Disorders and Neuromodulation, University Clinic Düsseldorf

In dit artikel

Samenvatting

Het huidige protocol is gericht op het beoordelen van cognitief-emotionele functies in de basale ganglia door gelijktijdige neurofysiologische registratie van lokale veldpotentialen en niet-invasieve hersenactiviteit in de cortex (EEG). De procedure wordt geïllustreerd door het gebruik van paradigma's met spraakstimuli met emotionele connotatie of de Flanker-taak die cognitieve controle betreft.

Samenvatting

Ondanks het succes van het gebruik van niet-invasieve elektro-encefalogram (EEG), magneto-encefalografie (MEG) en functionele magnetische resonantie (fMRI) voor het onttrekken van essentiële informatie over het mechanisme van het menselijk brein, dergelijke werkwijzen nog ontoereikend om informatie over de fysiologische verstrekken processen als gevolg van cognitieve en emotionele functies op het subcorticale niveau. Hierbij moderne invasieve benaderingen bij mensen, zoals diepe hersenstimulatie (DBS), bieden een enorme mogelijkheid subcorticale hersenactiviteit, namelijk lokale veld potentialen (LFP's) in samenhangende activiteit van neurale eenheden afkomstig gelokaliseerde basale ganglia of thalamische gebieden opnemen . Niettegenstaande invasieve benaderingen bij mensen na medische indicatie worden toegepast en moet dus gegevens beantwoorden gewijzigd hersenen circuits, kunnen waardevol inzicht verkregen over de aanwezigheid van intacte hersenfuncties ten opzichte hersenen oscillerendeactiviteit en de pathofysiologie van aandoeningen als reactie op experimentele cognitieve paradigma. In deze richting, een groeiend aantal DBS studies bij patiënten met de ziekte van Parkinson (PD) richten op niet alleen de motorische functies, maar ook een hoger niveau processen zoals emoties, besluitvorming, aandacht, geheugen en zintuiglijke waarneming. Recente klinische studies benadrukken ook de rol van DBS als een alternatieve behandeling in neuropsychiatrische aandoeningen, variërend van obsessief-compulsieve stoornis (OCS) chronische aandoeningen van het bewustzijn (DOC). Daarom richten we ons op het gebruik van gecombineerde invasieve (LFP) en niet-invasieve (EEG) menselijke hersenen opnames bij de beoordeling van de rol van de corticale-subcorticale structuren in cognitieve en emotionele verwerking trog experimentele paradigma's (bijv. Spraak stimuli met emotionele connotatie of paradigma's van cognitieve controle zoals Flanker taak), voor patiënten die DBS behandeling.

Inleiding

Invasieve neurofysiologische opnames bij de mens terug tot baanbrekende studies richten electrocorticographic opnamen van corticale gebieden en de kleine hersenen tijdens epilepsiechirurgie en tumor onderzoek 1. Een belangrijke mijlpaal in de verdere ontwikkeling van dergelijke registratie procedure is de introductie van de stereotactische techniek die veilige en efficiënte toegang tot diepe structuren van het menselijk brein 2 verschaft zijn. Afgezien van de klinische behandeling, hersenen invasieve benaderingen bij de mens te voorzien van een vrij unieke gelegenheid om de hersenfunctie te bestuderen in relatie tot opgenomen activiteit patronen gemoduleerd door externe stimuli, met name het geval van intra- en postoperatieve invasieve opnames bij patiënten die een deep brain stimulation (DBS ) procedures. De toepasbaarheid en het nut van DBS is besproken in diverse neurologische en neuropsychiatrische aandoeningen aan de ziekte van Parkinson (PD) naar compulsieve stoornis (OCS) of aandoeningen zoals Chro obsessiefnic aandoeningen van het bewustzijn (DOC).

In het bijzonder is DBS toegepast bij de behandeling van de ziekte van Parkinson 3,4,5, essentiële tremor 6, primaire / gegeneraliseerde segmentale dystonie 7,8,9, Huntington's ziekte 10,11, therapieresistente depressie 12,13, nicotine en alcoholverslaving 14, de ziekte van 15,16 Alzheimer, het syndroom van Tourette 17 en chronische aandoening van het bewustzijn (DOC) 18,19,20.

Binnen het toepassingsgebied van de neuropsychiatrie, DBS is een goedgekeurd / CE-markering behandeling van obsessief-compulsieve stoornis (OCS) gericht op de voorste onderdeel van de interne capsule (Alic) en in gebruik is gericht op de ventrale capsule / ventrale striatum / ventrale caudatus (VC / VS), nucleus accumbens (NAC) en de subthalamische nucleus (STN) 21. Ten aanzien van DBS bij OCS 22, recente studies benadrukken de rol van STN in het mechanisme van dwangmatig checking door gebruik te maken van het geheugen op basis-paradigma's 23,24,25.

Opmerkelijk modulatie van hersenactiviteit onder invloed van paradigma met cognitieve en emotionele betekenis is benadrukt in DOC 26,27,28,29. Aldus DBS is gemarkeerd niet alleen als potentiële behandeling voor chronische DOC, maar ook als een klinische procedure die opent de mogelijkheid van het bestuderen van de modulatie van subcorticale activiteit door het opnemen van lokale veld potentialen (LFP) van het centrum thalamische gebieden intra- en post- operatief.

In DBS wordt neurochirurgische implantatie van elektroden op basis van de stereotactische techniek die veilig vertegenwoordigt hersenen anatomische beperkingen, terwijl stimulatie patiënt wordt aangepast via intra-operatieve impuls-stimulatie testen. Postoperatieve LFP opname is mogelijk na de eerste implantatie van DBS elektroden en voor internalisering van de impuls generator. In het bijzonder, het huidige protocol is centered op de post-operatieve opnames.

In combinatie met LFP's, kan gelijktijdig opnemen van de corticale hersenactiviteit worden bereikt door bijvoorbeeld niet-invasieve elektro-encefalogram (EEG) of magneto (MEG) 30,31. Deze twee niet-invasieve werkwijzen worden ondersteund vanwege de uitstekende tijdsresolutie. Terwijl MEG minder risico dan EEG van schedel effecten 32, EEG blijkt voordelig omdat het minder last heeft van artefacten veroorzaakt door metalen implantaten en hoofdbewegingen en kan worden gebruikt bij de patiënt bed-side 33. Door het gelijktijdig opnemen van de corticale-subcorticale hersenactiviteit (LFP en EEG / MEG) in reactie op toegepaste emotionele-cognitieve paradigma's, kunnen verschillende relaties tussen hersenen oscillaties en het gedrag worden vastgesteld op basis van de tijd-frequentie koppeling analyses 34. Op zijn beurt zou kunnen dergelijke patronen leiden tot potentiële biomarkers van geïndividualiseerde cognitieve van een patiënt en emotionele toestanden en optimization van de behandeling parameters overweegt individuele instellingen.

Het volgende protocol targets invasieve en niet-invasieve neurofysiologische opname bij de mens voor de beoordeling van de cognitieve en emotionele functies, specifiek op de corticale en subcorticale niveau (EEG en LFP's).

Ten eerste, de neurofysiologische opname stappen geïllustreerd in de video, die de onderhavige protocol vergezelt, overeen met een opname van een voorbeeld patiënt met bewegingsstoornis dat de zogenoemde Flanker taak uitvoert (Voorbeeld 1).

Ten tweede, stappen in het protocol worden besproken door te focussen op de methodologie van de analyse en het monster resultaten uit een gepubliceerde DBS bijvoorbeeld bij chronische DOC 26 (Voorbeeld 2).

Deze twee voorbeelden wijzen op de toepasselijkheid van de voorgestelde protocol om DBS-behandelde patiënten met verschillende aandoeningen en verschillende experimentele paradigma's.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

De DBS procedure en invasieve opnames werden goedgekeurd door de Ethische Commissie van de universiteitskliniek Düsseldorf, Duitsland.

1. Experimentele Paradigm Ontwerp en patiënt Consent

LET OP: Ontwerp een experimentele paradigma of selecteer een bestaand experimentele paradigma naar een cognitieve / emotionele aspect van belang te richten.

  1. Selecteer patiënten die DBS-behandeling ondergaan. Vraag of de DBS-patiënt voldoet aan inclusie criteria van de studie. Zo ja, krijgen ondertekende geïnformeerde toestemming van de patiënt en / of ethische commissie (indien van toepassing) een post-operatieve opname en de toepassing van de respectieve cognitief paradigma uit te voeren.
    Opmerking: opname Postoperatieve plaatsvindt de volgende dag na een initiële DBS operatie wordt uitgevoerd gedurende DBS elektrode implantatie (met hun bijbehorende externalisatie van het hoofd door middel van speciale kabels) uitgevoerd en voor een tweede operatie plaatsvindt regarding permanente implantatie van DBS elektroden en stimulator.
    1. In de Flanker taak (Voorbeeld 1), verkregen ondertekende geïnformeerde toestemming van een patiënt met bewegingsstoornis (bijv. Huntington of ziekte van Parkinson) teneinde een postoperatieve opname uit te voeren. Het doel van het Flanker experiment is om het vermogen van de patiënt te testen op de aanpassing aan het gedrag van fouten en om te bepalen hoe deze aanpassing is terug te vinden op de hersenen oscillerende activiteit bij de corticale en subcorticale niveau.
      OPMERKING: De keuze van een patiënt wordt bepaald door de cognitieve mechanisme te behandelen aandoening en de patiënt. In de DBS-DOC recht- voorbeeld (Voorbeeld 2), een vrouwelijke DOC patiënt die leed aan een hoofdletsel op de leeftijd van 38 werd geselecteerd. Omwille van de patiënt voorwaarde die informed consent, werd DBS behandeling en experimentele deelname uitsluitend goedgekeurd door de lokale ethische commissie. Het belangrijkste doel van het DOC postoperatieve opname was te bepalen ofhersenfunctie betrekking tot cognitief-emotionele verwerking nog intact was in een patiënt met dergelijke ernstige stoornis van bewustzijn.
  2. Kies tussen de aard van de stimulus wordt gepresenteerd (auditief, visueel). Bepaal de volgorde van stimulus presentatie (blok of gemengde ontwerp). Kies de lengte van stimulus onder stimulus interval (ISI) en het aantal pogingen.
    1. Als een praktisch voorbeeld voeren de Flanker taak (Voorbeeld 1, figuur 1A), de mogelijkheid om het gedrag aan te passen in reactie op de inzet van respons controleren op fouten. Deze taak bestaat uit visuele stimuli (geflankeerd pijlpunten verticaal geregeld).
    2. Flankeren het doelwit stimulus (pijlpunt in het midden) van twee naburige pijlen (boven en onder het doel) hetzij wijzen in dezelfde (compatibel) of in tegengestelde (compatibel) richting bovendien interessant stop trials (cirkel in het midden).
    3. Presenteer het doel naar links of naar rechts, en vraag de deelnemer aan een res drukPonse knoop met hun linker of rechter duim. In de stop-trials, instrueren de deelnemers niet te reageren. Present flankers 200 msec voor doel. Geef het doel voor 300 msec en stel de stimulus response-interval 2000 msec (verstreken tijd wordt aangegeven door een cue toon). Indiening van een totaal van vier blokken van 120 stimuli elke hierbij. Present compatible (60%), onverenigbaar (20%) en stop-proces (20%) stimuli willekeurig.
      OPMERKING: Deze waarde voor de stimulus-interval werd gekozen om een ​​groot aantal gemiste tests te vermijden bij de behandeling van patiënten motor uitgeschakeld. Flankers en target werden uitgeschakeld gelijktijdig uitgeschakeld. De patiënten werden geïnstrueerd om zo snel mogelijk te reageren.
      LET OP: In de DBS-DOC case-voorbeeld (Voorbeeld 2, Figuur 1B), de experimentele paradigma bestond uit neutrale non-adressering en vertrouwde-adressering speech stimuli 26 in een blok design. De stimulusduur werd opgezet om 4 seconden (met een willekeurig 4 5 sec inter-stimulus-interval). A total van 80 proeven per conditie werden beschouwd in dit paradigma (Figuur 1B).
  3. Envision fysieke beperkingen en behoeften van de patiënt in een post-operatieve instelling opname. Specifiek, bepalen of de patiënt in staat om het gebruik van het toetsenbord gemaakt door te stellen de aanwezigheid van overmatige bewegingen chorea (ziekte van Huntington) of tremor (ziekte van Parkinson).
    1. Controleer of de patiënt kan op de monitor (als lokaal anestheticum of stereotactische hoofdframe toegepast tijdens DBS operatie veroorzaakt zwellingen in het gezicht en rond de ogen) en comfortabel zitten gedurende de duur van het gehele experiment. Mis het experiment niet uit te voeren, als de patiënt niet aan deze voorwaarden voldoen.

2. Set-up voor Postoperatieve Subcortical (LFP's) en Surface (EEG) Recordings

  1. Stel de EEG (zie Materials in de aanvullende bestanden) in de kamer wHier het experiment wordt uitgevoerd. Sluit de opname computer het EEG systeem. Start de EEG-opname software (zie "materiaal" in de aanvullende bestanden).
  2. Klik op "File" en vervolgens "Nieuwe workspace 'om de werkruimte in het EEG opnamesoftware definiëren door: een sampling frequentie van 5 kHz, een lage cut-off (DC) en hoge cut-off frequentie (1.000 Hz), EEG-kanalen volgens de internationale 10/20 systeem (althans: fronto-centrale (Fz), centro-centrale (Cz), fronto-polaire referentie (FPZ) en gemalen (mastoideus) en afhankelijk van het paradigma verder parieto-centrale (PZ) , occipito-centrale (Oz), tijdelijke (T3 / T4), fronto-mediale (F3 / F4), fronto-laterale (F7 / F8)) (Figuur 2D) en LFP kanalen (LFPL 0, LFPL1, LFPL2, LFPL3 ( linker hersenhelft, figuur 2C); LFPR0, LFPR1, LFPR2 en LFPR3 (rechter hersenhelft)). Klik op "Monitor" om te controleren of de opgegeven kanalen nu worden ingesteld voor opname.
    LET OP: De preparation vooraf van de werkruimte wordt aanbevolen om het experiment te minimaliseren en om onverwachte veranderingen in de configuratie van de opname is te overzien. Het wordt aanbevolen om de hoogste temporele resolutie, juiste filter instellingen adequate sampling rate en de juiste selectie van kanalen van belang te waarborgen.
  3. Stel de stimulus computer door het aansluiten van de parallelle poort aan de EEG-systeem. Start de stimulus software. Klik op "run" op de functionaliteit van de paradigma's op de monitor van de computer (visuele stimuli) en / of luidsprekers (auditieve stimuli, geluid signalen) te controleren. Zorg ervoor dat markers (triggers) van de stimulus computer worden ingelezen in het opnamesysteem tijdens de presentatie van de stimuli en respons onderwerp door het controleren van hun verschijning op de EEG-opname software.
    Opmerking triggers stimulus apparaten moeten duur van ten minste 200 psec te detecteren door de EEG (met de 5 kHz bemonsteringssnelheid) hebben. Aangezien triggers zijn markers van het evenement-Related-evenementen of opgeroepen gerelateerde activiteit die zich voordoen op een bepaalde termijn hun functie is van cruciaal belang voor posterior data-analyse. In de DBS-DOC case-voorbeeld (Voorbeeld 2), de experimentele paradigma (Figuur 1B) bestond uit auditieve stimuli (bekend een onbekende voices) dus triggers werden opgericht aan het begin en einde van elke gepresenteerde stimuli. In het geval van de Flanker taak (figuur 1A) triggers werden opgezet op het moment dat 1) de flankers en target stimuli verscheen, 2) de patiënt gereageerd en 3) een cue toon werd gehoord om de patiënt te informeren dat de response-tijd verstreken.
  4. Markeer de vertex van het hoofd van de patiënt als het midden tussen de nasion en INION met behulp van een huid marker pen en door het volgen van het advies van een ervaren neuroloog of EEG specialist. Bovendien, Mark gekozen EEG elektrode posities met behulp van de 10-20-systeem. Bevestig EEG oppervlakte-elektroden op de hoofdhuid door eerst elke geselecteerde locatie reinigen met een isopropyl alcohol pad en na het gebruik van schurende pasta.
    LET OP: Dergelijke acties worden beperkt door de plaatsing van pleisters op het hoofd van de DBS patiënt. Toch moet een ervaren neuroloog in staat zijn om een ​​geschikte (bij benadering) locatie te definiëren voor elke elektrode / kanaal. Om goed contact beweging haar uit de weg (indien van toepassing) te verzekeren. Het gebruik van zelfklevende elektroden beveiligd door chirurgische tape kan worden gebruikt vanwege gemak stage.
  5. Sluit geëxternaliseerde DBS elektroden een percutane extensie. Sluit percutane uitbreiding naar externe connector. Sluit elke elektrode die de externe connector aan de EEG schakelkast volgens de EEG-opname set-up. Sluit EEG hoofdhuid elektroden met de EEG schakelkast door eerst te sluiten grond en referentie.
  6. Bevestig EMG elektroden (referentie en actieve elektroden) op bepaalde spieren door eerst het gebied reinigen met een isopropylalcohol pad. Sluit EMG elektroden EEG schakelkast.
    OPMERKING: Deze stap is optioneel en voornamelijk uitgevoerd als motorische taken worden beschouwd in het paradigma of wanneer het vereist is om de activiteit van spieren bewaken zoals bij patiënten met motorische stoornis.
  7. Klik op "Monitor" om gegevens te visualiseren. Zorg ervoor EEG en EMG-signalen op de monitor zijn artefact-vrij door het detecteren van de aanwezigheid van jittering en bovenop hoogfrequente componenten. Controleer richtlijnen over types van artefacten en andere factoren met betrekking tot het opnemen van elektro-signalen 35 en / of verzoeken om technisch advies van een ervaren neuroloog of een neuroloog totdat u vertrouwd bent met de aard van de verstoringen die in dergelijke fysiologische opnames geworden.
    OPMERKING: Deze stap is belangrijk om hoge kwaliteit signalen voor off-line data-analyse te waarborgen.

3. Registratie van Post-operatieve Subcortical (LFP's) en Surface (EEG) Brain Activity

  1. Instructies geven aan de patiënt. Zorg ervoor dat de patient is comfortabel en instrueren hem / haar om het experiment te stoppen op elk moment van ongemak.
  2. Klik op "run" op de stimulus software, zodat de patiënt in staat is om het paradigma te zien op de monitor en / of luisteren naar de cue tonen en klanken. Voer een trainingssessie met de patiënt totdat hij / zij is comfortabel met de taak. Begin gelijktijdig opnemen van subcorticale (LFP) en corticale (EEG) hersenactiviteit terwijl de patiënt de experimentele taak uitvoert.
    OPMERKING: Bij de DBS-DOC praktijkvoorbeeld (Voorbeeld 2) het paradigma bestond uit auditieve stimuli in een blok ontwerp zoals beschreven in (figuur 1B). Bij de Flanker taak (figuur 1A), visuele stimuli overeenkomen met drie voorwaarden (compatible (60%), onverenigbaar (20%) en stop-proces (20%)) gepresenteerd willekeurig binnen elk blok (gemengde ontwerp), elk blok bestond uit 120 stimuli en paradigma bestond uit een totaal van vier blokken. Nadat de taak is afgerond,worden opgeslagen op de harde schijf van de computer opname later off-line screening en kwantitatieve analyse.

4. Data Analysis

OPMERKING: Stappen met behulp van EEG analyse software:

  1. Open de EEG analyse-software (zie "materiaal" in de aanvullende bestanden) en klik op "Nieuw" om de opgenomen gegevens te visualiseren door het specificeren van de map paden (rauwe, geschiedenis en export) en de naam van de gegevens van. Klik op 'kanalen Bewerken "om kanalen van belang te kiezen. Zenders hernoemen indien nodig.
  2. Klik op 'Channel Preprocessing "en vervolgens" New Reference "re-reference aangrenzende DBS contacten en aldus virtuele bipolaire contacten voor linker- en rechterhersenhelft. Herhaal dit proces om een ​​virtuele montage voor EEG-kanalen te creëren.
    OPMERKING: Een bipolaire re-reference montage belangrijk volume geleiding te minimaliseren en ruimtelijke betrouwbaarheid van de opgenomen signalen te verbeteren. Bij de DBS-DOC case voorbeeld (Voorbeeld 2), de volgende bipolaire kanalen werden opgezet DBS: LFPL01, LFPL12, LFPL23, LFPR01, LFPR12, LFPR23 en EEG: Cz / Fz, Pz / CZ, Oz / Pz, T3 / Cz en T4 / Cz . Het is het waard om te benadrukken dat, terwijl MEG opgenomen signalen zijn referentie-vrij, EEG-signalen moeten worden verwezen om waar niet-arbitraire nulwaarde-signalen in een gemeenschappelijk kader. Bestaande EEG referentiesystemen omvatten: CZ of FPZ referentie, gemiddeld tussen elektroden op beide oren, gemiddelde referentie (rekening houdend met alle kanalen), twee of één-mastoideus referentie en ruisreferentie. Voor de gegevens te analyseren, kunnen verschillende re-referentie regeling worden toegepast, bijvoorbeeld bipolaire contacten passend is gericht tijdfrequentie analyse koppeling tussen DBS en EEG signalen.
  3. Klik op "raw data inspectie" om het scherm gegevens voor fysiologische en apparatuur in verband artefacten met de nadruk op de motor jittering en apparatuur storingen. Mark segmenten waarin artefacten aanwezig zijn.
    NOTE: Bij het opnemen hoofdhuid activiteit en tegelijkertijd subcorticale activiteit door middel DBS extern leads EEG lijkt robuuster ruis artefacten dan technieken zoals MEG waarvoor de huidige inspanningen worden gericht op verbetering signaalruisverhouding. Vanwege dat patiënten met motorische stoornissen lijdt aan onwillekeurige bewegingen zoals chorea en tremor van de verschijning van motor jittering artefacten in de opgenomen signalen moet worden verantwoord. Andere stoornissen zijn te wijten aan de ogen knippert en apparatuur in verband artefacten. Focussen op de DBS-DOC praktijkvoorbeeld (Voorbeeld 2), werd artefact inspectie uitgevoerd door visueel onderzoek en artefacten werden handmatig gemarkeerd. De enige toepassing van een automatische artefact inspectie modus wordt afgeraden omdat sommige artefacten die niet door een bepaald criterium kan worden herkend.
  4. Klik op "Data Filtering" en vervolgens "IIR Filters" naar een notch filter te specificeren: 50Hz (het omgaan met macht lijn artefacten) en Butterworth Zero Phase Filters door specifying Low en High Cutoff parameters. Klik op "Change Sampling Rate" om de opgenomen signalen downsamplen met een bepaalde regelmaat en ook opgeven de interpolatie type.
    1. In de DBS-DOC voorbeeld; set Low Cutoff: 1,0000 Hz, Tijdsconstante: 0.1592s, helling: 48 dB / octaaf; High Cutoff: 80,0000 Hz, Tijdsconstante: 0,1592 sec en 48 dB / oct en downsampling frequentie van 512 Hz met behulp van spline interpolatie.
      LET OP: Optioneel uit te voeren filteren op aangepaste scripts op basis van de bekende open source suites: Fieltrip (http://www.fieldtriptoolbox.org/), EEGLab (http://sccn.ucsd.edu/eeglab/) en SPM8 ( http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm8/). Bij de eerste wordt voorbeeldscripts voorzien in (http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/preprocessing). Andere suites bieden ook gedetailleerde documentatie deze stap uit te voeren.
      LET OP: stads bemonstering op elk punt wordt de frequentie ruimte die beschikbaar is voor verdere analyse op basis van de Nyquist theorema is te beperken. Gezien de DBS-DOC case-bijvoorbeeld de geselecteerde sampling frequentie van 512 Hz is passend bij het overwegen van een frequentieband tot 80 Hz.
      LET OP: U kunt ook het uitvoeren van down-sampling door aangepaste scripts op basis van de bekende open source suites: Fieldtrip (http://www.fieldtripbox.org), EEGLab (http://sccn.ucsd.edu/eeglab) en SPM8 ( http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm8/). In het geval van de eerste, zijn script voorbeelden (http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/preprocessing). Andere suites bieden ook documentatie van deze stap uit te voeren.
  5. Export bipolaire kanalen van belang door te klikken op "Export" en vervolgens "Generic Data". data export markers (triggers) door te klikken op "Export" en vervolgens "Markers". Benoem de bestanden die moeten worden uitgevoerd door het selecteren van een "txt" -formaat.
    LET OP: Om de Fieldtrip toolbox te gebruiken in de volgende stappen wordt voorgesteld om kanalen te exporteren in (.txt) multiplex-formaat en ook aaned om een ​​"vmrk" bestand dat informatie over de uitgevoerde kanalen omvat omvatten. Het is ook voorgesteld om een ​​(.txt) formaat te gebruiken voor de geëxporteerde markers, terwijl de optie van het overslaan van markers die overeenkomt met slechte intervallen geselecteerd in stap 4) wordt aangeboden.

OPMERKING: Stappen met behulp Fieldtrip:

  1. Start-up MATLAB en klik op "set path" om het pad van de map Fieldtrip in het geval dat niet wordt gedaan door standaard toe te voegen.
  2. Zet de gegevens die eerder pre-verwerkt en markers in een cel-matrix-structuur die compatibel zijn met de functies binnen Fieldtrip is door het uitvoeren van ( Script 1-Aanvullende File ) zonder ontbreekt om aan te geven: De map die de EEG en LFP-bestanden uit stap 7 , channel namen, bemonsteringsfrequentie, sample tijd, proeven. (Optioneel) Voer artefact afwijzing door "uncomment" de aangegeven code. Dit script slaat de gegevens in een gespecificeerde bestand dat wordt gebruikt in de next stappen.
  3. Bereken spectrale macht LFP voor kanalen van de rente door het uitvoeren ( Script 2-aanvullend bestand ) zonder ontbreekt om aan te geven: de map waarin het bestand gegenereerd door bevat (Script 1), de methode (wavelet of mtmconvol), de breedte van het venster, de frequentie van belang (foi), periode van belang (toi) tijd's, en de frequentie uitgangswaarde (facultatief). Definieer het type statistische analyse en de gewenste p-waarde.
    Opmerking: In de DBS-DOC case-voorbeeld (Voorbeeld 2), werd de macht analyse uitgevoerd door het overwegen van een stimulus-vergrendelde wavelet tijd frequentie-analyse (Morlet wavelet (width = 5)) met Hanning taper, een frequentiebereik van 4-80 Hz en een tijd tussen -1 tot 4 sec. Vanwege dat wavelets hebben een variabele resolutie in tijd en frequentie. Bij het selecteren van een wavelet, besluiten we een trade-off tussen de temporele en spectrale resolutie. In het bijzonder, Morlet wavelets beschikken over een sinusvormige vorm gewichted door een Gauss-kernel die het mogelijk maakt het vastleggen van de lokale oscillerende componenten in een tijdreeks. Waardoor de breedte parameter kleiner de tijdsresolutie ten koste van frequentieresolutie en vice versa verhogen. De spectrale bandbreedte bij een gegeven frequentie F is gelijk aan F / breedte x 2 (voor F = 40 Hz en width = 5 de spectrale bandbreedte 16 Hz), terwijl de wavelet duur gelijk aan breedte / F / pi (voor F = 40 Hz en width = 5 de wavelet duur is 39,8 msec). Een cluster gebaseerde (tijd en frequentie variabelen) randomisatie benadering werd gebruikt voor statistische analyse tussen condities (p-niveau van 0,05 in een tweezijdige test) 39. Als voorbeeld van de output verkregen door het uitvoeren van deze stap kijk naar figuur 4A en figuur 4D. Time-frequentierespons analyse werd uitgevoerd door aangepaste scripts gebaseerd op de open source software Fieldtrip (http://www.fieldtriptoolbox.org/). Specifieke details over hoe u een script aan te passen om deze stap te kunnen volbrengenworden gevonden in http://www.fieldtriptoolbox.org/reference/ft_freqanalysis.
  4. Bereken samenhang tussen subcorticale en corticale signalen door het uitvoeren ( Script 3-Aanvullende File ) en niet te vergeten aan te geven: segmenten lengte, overlap percentage, frequentie van belang. Wat betreft de statistische analyse te geven van de aard van de analyse en de gewenste p-waarde.
    Opmerking: Samenhang analyse meet de lineaire relatie tussen twee tijdreeksen met een constante verhouding van de amplitudes 40. In de DBS-DOC recht- voorbeeld (Voorbeeld 2), segmenten van 1 seconde met 50% overlap werden gebruikt voor de berekening van coherentie door te focussen op het frequentie-interval tussen 1 en 25 Hz. Een cluster-gebaseerde (tijd en frequentie variabelen) randomisatie benadering werd gebruikt voor intra-individuele analyse van coherentie (p-niveau van 0,05 in een tweezijdige test) 41. Bovendien is het imaginaire deel van coherentie werd berekend 42.
    de basic stappen aan te passen een script voor coherentie analyse worden beschreven in (http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/coherence). Als voorbeeld van de output verkregen door het uitvoeren van deze stap kunt u kijken op Figuur 4B.
  5. Bereken kruis frequentie fase amplitude koppeling (PAC) door het uitvoeren van de software-implementatie beschikbaar als aanvullend bestand in verwijzing 43.
    Opmerking: In de DBS-DOC praktijkvoorbeeld (Voorbeeld 2), werd cross-frequentieanalyse PAC berekend met het gehele vrije-artefact opname voor verschillende combinaties van bipolaire kanalen. In het bijzonder genormaliseerde directe PAC (ndPAC) 43 werd de voorkeur omdat het mogelijk bepalen van belangrijke koppeling op verschillende niveaus statistische terwijl het opzetten van de niet-significant koppelingen (p-niveau: 0,1) nul. Hierdoor frequentiebereiken van fase en amplitude koppeling kan worden geselecteerd op basis van hun betekenis. In de DBS-DOC geval bijvoorbeeld de fase frequentiebereik beschouwd was 22/03 Hz, terwijl de amplitude frequentiebereik is opgezet om 35-80 Hz. De LFP-EEG kanalen geselecteerd AKP analyse werden LFPR23 en EEGFzPz op basis van de coherentie analyse uitgevoerd in stap 5,5. Als voorbeeld van de output verkregen door het uitvoeren van deze stap kunt u kijken op Figuur 4C.

figure-protocol-1
Figuur 1: Voorbeeld van experimentele paradigma (A) (Voorbeeld 1) Flanker taak. Doel stimulus (pijlpunt in het midden) wordt geflankeerd door twee naburige pijlen (boven en onder het doel) hetzij wijzen in dezelfde (compatibel) of in tegengestelde (compatibel) richting, stop trials (cirkel in het midden) werden overwogen. Als doel is gericht naar links of rechts, een deelnemer respectievelijk op een antwoord knop met hun linker of rechter duim in de aanslag proeven deelnemers geïnstrueerd niet te reageren. de Flanker taak die hier gebruikt werd gewijzigd ten opzichte van de aanvankelijk geprogrammeerde versie van Prof. C. Beste en zijn groep (zie bevestigingen). (B) (Voorbeeld 2) emotionele-cognitieve speech paradigma gebruikt in de DBS-DOC case-voorbeeld. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Voor de DBS-DOC geval (voorbeeld 2), we nu hebben gegevens doel lokalisatie DBS implantatie schematische diagrammen van LFP elektrode en EEG ingesteld voorbeeldige opnamen van EEG en LFP activiteit (ruwe gegevens) en representatieve analyseresultaten:

Figuur 2A toont geplande traject (zwarte lijn) geprojecteerd op een anatomische atlas 36, paragraaf 30, coronaire, 10,7 mm achter de voorste commissur...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

In tegenstelling tot niet-invasieve brain meettechnieken zoals scalp-EEG en MEG, de voorgestelde gecombineerde invasieve en niet-invasieve neurofysiologische opname kader vormt een opmerkelijke mogelijkheid om informatie van corticale en subcorticale gebieden extract ten opzichte van cognitieve-emotionele taken. Dergelijke informatie wordt weerspiegeld door de hersenen oscillerende activiteit bij meerdere frequentiebanden en verschillende niveaus van de organisatie in relatie tot de hersenen functioneren 44. ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs verklaren dat ze geen concurrerende financiële belangen.

Dankbetuigingen

Dit werk werd ondersteund door ERA-NET NEURON / BMBF Duitsland (Tymon). Daaraan verbonden kosten worden gedekt door een subsidie ​​van het Universitair Ziekenhuis van Düsseldorf. De Flanker taak die hier gebruikt werd gewijzigd ten opzichte van de oorspronkelijk geprogrammeerde versie van Prof. C. Beste en zijn groep 47.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
BrainAmp AmplifierBrain Products GmbH, Gilching GermanyAantal: 2
BrainVision Recorder SoftwareBrain Products GmbH, Gilching Germany1 Licentie 
BrainVision Analyzer Software Brain Products GmbH, Gilching Germany1 Licentie 
Vezeloptische kabels en USB-connectorenBrain Products GmbH, Gilching GermanyDeze worden geleverd met het hierboven vermelde apparaat
Elektrode-ingangsdoos (64 kanalen)Brain Products GmbH, Gilching GermanyAantal: 1
EEG-gel Natus IncAantal: 1
IsopropylalcoholSchülke & Mayr GmbH, DuitslandAantal: 1
HuidvoorbereidingsgelWeaver and Co, USAAantal: 1
MATLAB  Math-Works, Natick, Massachusetts, USA1 Licentie
FieldTrip toolboxhttp://www.fieldtriptoolbox.org/Open Source
Macroelektrodes (model 3387 quadripolair DBS-lead)Medtronic Inc., Minneapolis, MN, USAAantal: 2
Steriele percutane extensie-draden (model 3550-05) Medtronic Inc., Minneapolis, MN, USAAantal: 2
Twist lock kabel (model 3550-03) Medtronic Inc., Minneapolis, MN, USAAantal: 2
Op maat gemaakte connectoren naar DIN 428092 touch-proof connectorenAantal: 2
Vercise Lead kit DB -2201 Boston ScientificAantal: 2
Contactverlengingsset NM-3138 Boston ScientificAantal: 2
O.R. kabel & verlenging SC-4100 A Boston ScientificAantal: 2
connector to touch proof Twente Medical Systems International B.V.Aantal: 2
CT-scanner Model PQ2000 (Postoperatieve CT-scans)Philips Healthcare GmbH HamburgAantal: 1
Presentatiesoftware (Flanker Task)Neurobehavioral systems Inc.1 Licentie 
MEG-systeemElekta Neuromag IncAlternatief
High-density EEG-sensornet (128 of 256 kanalen)Electrical Geodesics Inc (EGI), USAAlternatief

Referenties

  1. Foerster, O., Altenburger, H. Elektrobiologische Vorgänge an der menschlichen Hirnrinde. Dtsch. Zschr. Nervenheilk. 135, 277-288 (1934).
  2. Spiegel, E. A., Wycis, H. T., Marks, M., Lee, A. J. Stereotaxic apparatus for operations on the human brain. Science. 106, 349-350 (1947).
  3. Okun, M. S. Deep-Brain Stimulation for Parkinson's disease. N. Engl. J. Med. 367, 1529-1538 (2012).
  4. Groiss, S. J., Wojtecki, L., Südmeyer, M., Schnitzler, A. Deep Brain Stimulation in Parkinson's disease. Ther. Adv. Neurol. Disord. 2 (6), 20-28 (2009).
  5. Kalia, S. K., Sankar, T., Lozano, A. M. Deep brain stimulation for Parkinson's disease and other movement disorders. Curr. Opin. Neurol. 26 (4), 374-380 (2013).
  6. Della Flora, E., Perera, C. L., Cameron, A. L., Maddern, G. J. Deep brain stimulation for essential tremor: a systematic review. Mov. Disord. 25 (11), 1550-1559 (2010).
  7. Volkmann, J., Benecke, R. Deep brain stimulation for dystonia: patient selection and evaluation [Review]. Mov. Disord. 17 (3), 112-115 (2002).
  8. Hu, W., Stead, M. Deep brain stimulation for dystonia. Transl. Neurodegener. 21 (3(1)), (2014).
  9. Mentzel, C. L., Tenback, D. E., Tijssen, M. A., Visser-Vandewalle, V. E., van Harten, P. N. Efficacy and safety of deep brain stimulation in patients with medication-induced tardive dyskinesia and/or dystonia: a systematic review. J. Clin. Psychiatry. 73 (11), 1434-1438 (2012).
  10. Huys, D., et al. Management and outcome of pallidal deep brain stimulation in severe Huntington's disease. Fortschr. Neurol. Psychiatry. 81, 202-205 (2013).
  11. Hartmann, C. J., Groiss, S. J., Vesper, J., Schnitzler, A., Wojtecki, L. Brain Stimulation in Huntington’s disease. Neurodegener. Dis. Manag. , (2016).
  12. Morishita, T., Fayad, S. M., Higuchi, M. A., Nestor, K. A., Foote, K. D. Deep brain stimulation for treatment-resistant depression: systematic review of clinical outcomes. Neurotherapeutics. 11 (3), 475-484 (2014).
  13. Lakhan, S. E., Callaway, E. Deep brain stimulation for obsessive-compulsive disorder and treatment-resistant depression: systematic review. BMC Res. Notes. 4 (3), 60(2010).
  14. Luigjes, J., et al. Deep brain stimulation in addiction: a review of potential brain targets. Mol. Psychiatry. 17, 572-583 (2012).
  15. Hardenacke, K., et al. Deep brain stimulation as a tool for improving cognitive functioning in Alzheimer's dementia: a systematic review. Front. Psychiatry. 4 (159), (2013).
  16. Laxton, A. W., Stone, S., Lozano, A. M. The Neurosurgical Treatment of Alzheimer's Disease: A Review. Stereotact. Funct. Neurosurg. 92, 269-281 (2014).
  17. Schrock, L. E., et al. Tourette syndrome deep brain stimulation: A review and updated recommendations. Mov. Disord. 30 (4), 448-471 (2015).
  18. Schiff, N. D., et al. Behavioral improvements with thalamic stimulation after severe traumatic brain injury. Nature. 448, 600-603 (2007).
  19. Yamamoto, T., Katayama, Y. Deep brain stimulation therapy for the vegetative state. Neuropsychol. Rehabil. 15, 406-413 (2005).
  20. Yamamoto, T., Kobayashi, K., Kasai, M., Oshima, H., Fukaya, C., Katayama, Y. DBS therapy for the vegetative state and minimally conscious state. Acta Neurochir. Suppl. 93, 101-104 (2005).
  21. Lipsman, N., Giacobbe, P., Lozano, A. M. Deep brain stimulation in obsessive-compulsive disorder: neurocircuitry and clinical. Handb. Clin. Neurol. 116, 245-250 (2013).
  22. Mallet, L., et al. Stimulation of subterritories of the subthalamic nucleus reveals its role in the integration of the emotional and motor aspects of behavior. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 104 (25), 10661-10666 (2007).
  23. Rotge, J. Y., et al. A challenging task for assessment of checking behaviors in obsessive-compulsive disorder. Acta Psychiatr. Scand. 117 (6), 465-473 (2008).
  24. Clair, A. H., et al. Excessive checking for non-anxiogenic stimuli in obsessive-compulsive disorder. Eur. Psychiatry. 28 (8), 507-513 (2013).
  25. Burbaud, P., et al. Neuronal activity correlated with checking behaviour in the subthalamic nucleus of patients with obsessive-compulsive disorder. Brain. 136, 304-317 (2013).
  26. Wojtecki, L., et al. Modulation of central thalamic oscillations during emotional-cognitive processing in chronic disorder of consciousness. Cortex. 60, 94-102 (2014).
  27. Menon, D. K., et al. Cortical processing in persistent vegetative state, Wolfson Brain Imaging Centre Team. Lancet. 352 (200), (1998).
  28. Monti, M. M., et al. Willful modulation of brain activity in disorders of consciousness. New. Engl. J. Med. 362, 579e589(2010).
  29. Owen, A. M., Coleman, M. R., Boly, M., Davis, M. H., Laureys, S., Pickard, J. D. Detecting awareness in the vegetative state. Science. 313, 1402(2006).
  30. Hirschmann, J., et al. A direct relationship between oscillatory subthalamic nucleus-cortex coupling and rest tremor in Parkinson's disease. Brain. 136, 3659-3670 (2013).
  31. Hirschmann, J., et al. Differential modulation of STN-cortical and cortico-muscular coherence by movement and levodopa in Parkinson's disease. Neuroimage. 68, 203-213 (2013).
  32. Okada, Y., Lähteenmäki, A., Xu, C. Experimental analysis of distortion of magnetoencephalography signals by the skull. Clin. Neurophysiol. 110, 230-238 (1999).
  33. Vaughan, T. M., McFarland, D. J., Schalk, G. The Wadsworth BCI Research and Development Program: at home with BCI. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 14, 229-233 (2006).
  34. Gross, J. Analytical methods and experimental approaches for electrophysiological studies of brain oscillations. J. Neurosci. Methods. 228, 57-66 (2014).
  35. Pivik, R. T., Broughton, R. J., Coppola, R., Davidson, R. J., Fox, N., Nuwer, M. R. Guidelines for the recording and quantitative analysis of electroencephalographic activity in research contexts. Psychophysiology. 30, 547-558 (1993).
  36. Mai, K. M., Assheuer, J. K., Paxinos, G. Atlas of the human brain (2nd edition). , Elsevier: Academic Press. (2004).
  37. Yelnik, J., et al. A three-dimensional, histological and deformable atlas of the human basal ganglia. I. Atlas construction based on immunohistochemical and MRI data. NeuroImage. 34, 618-638 (2007).
  38. Bardinet, E., et al. A three-dimensional histological atlas of the human basal ganglia. II. Atlas deformation strategy and evaluation in deep brain stimulation for Parkinson disease. J. Neurosurg. 110, 208-219 (2009).
  39. Maris, E., Oostenveld, R. Non-parametric statistical testing of EEG- and MEG-data. J. Neurosci. Methods. 164, 177-190 (2007).
  40. Halliday, D. M., Rosenberg, J. R., Amjad, A. M., Breeze, P., Conway, B. A., Farmer, S. F. A framework for the analysis of mixed time series/point process data-theory and application to the study of physiological tremor, single motor unit discharges and electromyograms. Prog. Biophys. Mol. Biol. 64, 237-278 (1995).
  41. Maris, E., Schoffelen, J. M., Fries, P. Nonparametric statistical testing of coherence differences. J. Neurosci. Methods. 163, 161-175 (2007).
  42. Nolte, G., Bai, O., Wheaton, L., Mari, Z., Vorbach, S., Hallet, M. Indentifying true brain interaction from EEG data using imaginary part of coherency. Clin. Neurophysiol. 115, 2292-2307 (2004).
  43. Ozkurt, T. E., Schnitzler, A. A critical note on the definition of phase-amplitude cross-frequency coupling. J. Neurosci. Methods. 201, 438-443 (2011).
  44. Schutter, D. J., Knyazev, G. G. Cross-frequency coupling of brain oscillations in studying motivation and emotion. Motiv. Emot. 36 (1), 46-54 (2012).
  45. Palva, J. M., Palva, S., Kaila, K. Phase synchrony among neuronal oscillations in the human cortex. J. Neurosci. 25 (15), 3962-3972 (2005).
  46. Oostenveld, R., Fries, P., Maris, E., Schoffelen, J. M. FieldTrip: open source software for advanced analysis of MEG, EEG, and invasive electrophysiological data. Comput. Intell. Neurosci. 156869, (2011).
  47. Beste, C., Mückschel, M., Elben, S., Hartmann, C. J., McIntyre, C. C., Saft, C., Vesper, J., Schnitzler, A., Wojtecki, L. Behavioral and neurophysiological evidence the enhancement of cognitive control under dorsal pallidal deep brain stimulation in Huntington’s disease. Brain. Struct. Funct. 220, 24441-24448 (2015).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Diepe hersenstimulatielokale veldpotentialenelektro encefalografiecognitieve emotionele beoordelingcorticale en subcorticale opnamenFlanker taakparadigmaspectrale vermogensanalysecoherentieanalysefase amplitudekoppelingmenselijke neurofysiologie

Gerelateerde artikelen