Met behulp van Saccadometry met Deep Brain Stimulation voor normale en pathologische hersenfunctie Studie

Summary

Dit artikel beschrijft het gebruik van kwantitatieve meting van oogbewegingen in combinatie met stimulatie van focale gebieden van de diepe hersenen om fysiologie, pathofysiologie en de mechanismen van diepe hersenstimulatie te bestuderen.

Abstract

Het oculomotorische systeem omvat een groot aantal hersengebieden, inclusief delen van de basale ganglia, en verschillende neurodegeneratieve ziekten, waaronder Parkinson en Huntington, kunnen dit verstoren. Mensen met de ziekte van Parkinson hebben bijvoorbeeld de neiging om verhoogde saccadisce latenties te hebben. Bijgevolg heeft de kwantitatieve meting van saccadisce oogbewegingen aanzienlijke aandacht gekregen als een potentiële biomarker voor neurodegeneratieve aandoeningen. Er kan veel meer worden geleerd over de hersenen, zowel in gezondheid als in ziekte, door te observeren wat er gebeurt met oogbewegingen wanneer de functie van specifieke hersengebieden wordt verstoord. Diepe hersenstimulatie is een chirurgische ingreep die wordt gebruikt voor de behandeling van een reeks neurologische aandoeningen, waaronder de ziekte van Parkinson, waarbij stimulerende elektroden worden geplaatst in specifieke hersengebieden, waaronder verschillende locaties in de basale ganglia. Metingen van oogbewegingen kunnen vervolgens worden gemaakt met de stimulatorsystemen zowel uit als aan en de resultaten kunnen worden vergeleken. Met een geschikt experimenteel ontwerp kan deze aanpak worden gebruikt om de pathofysiologie van de te behandelen ziekte te bestuderen, het mechanisme waarmee DBS zijn gunstige effecten uitoefent en zelfs aspecten van normale neurofysiologie.

Introduction

De laatste jaren is er steeds meer belangstelling voor het gebruik van metingen van reactietijden als een kwantitatieve en niet- invasieve manier van het verkrijgen van informatie over de mechanismen van neurale besluitvormingsproces ¹ hoog. Eén type reactie keer dat uitvoerig is onderzocht is de tijd genomen om een ​​saccade te starten op vertoon van een visuele stimulus, die bekend staat als saccade latentie. Saccades zijn de snelle oogbewegingen die optreden wanneer we snel onze blik van de ene plaats naar de andere. Zij zijn de meest voorkomende type oogbewegingen wij, optreedt bij een frequentie van typisch twee of drie per seconde. Elk saccade in feite een beslissing te kijken naar een cue in de visuele wereld plaats van een ^2.

De zenuwbanen regelen oogbewegingen zijn uitgebreid bestudeerd en worden immers vastgelegd ^3. Met behulp van gevoelige elektronische apparatuur, kunnen aspecten van oculomotorische functie precies en objectivel zijny gekwantificeerd. Dit vergemakkelijkt het gedetailleerde studie van oogbewegingen zelf, maar ook kunnen ze worden gebruikt als een instrument om andere gebieden van motoriek en pathofysiologie onderzoeken.

Oogbeweging meting kan nuttige informatie over de ziekte van staten te verstrekken. Saccade oogbewegingen onlangs bijvoorbeeld veel aandacht gekregen als potentiële biomarkers in neurodegeneratieve aandoeningen waaronder Huntington ^4,5 en ^6,7 Parkinson ziekte, en het is duidelijk geworden dat saccadische reactietijden meestal trager dan normaal in deze omstandigheden. Gebruiksmogelijkheden van saccade meting onder meer steun aan de diagnose en de ziekte van tracking. Saccade taken variëren van eenvoudig prosaccade (kijken zo snel mogelijk naar een visuele stimulus die plotseling naar links of rechts) om complexere taken zoals de antisaccade (zo snel mogelijk naar de andere kant een visuele stimulus) of geheugen- begeleide saccade (zoeknaar de herinnerde locatie van een doel dat is er niet meer).

Diepe hersenstimulatie is een effectieve behandeling van verschillende neurologische aandoeningen. Het wordt meestal gebruikt om de motorische symptomen van de ziekte van Parkinson, waaronder tremor, rigiditeit, bradykinesie en dyskinesie te behandelen. Het wordt ook gebruikt voor andere bewegingsstoornissen zoals dystonie en essentiële tremor en minder vaak voor neuropathische pijn, epilepsie en psychiatrische aandoeningen zoals obsessieve compulsieve stoornis. Het is de enige omgeving waarin wetenschappers directe elektrische toegang tot dieptestructuur van de menselijke hersenen in vivo en vormt dus een waardevolle kans voor experimentele neurologie. Verschillende doelstellingen gestimuleerde afhankelijk van de aandoening die wordt behandeld, waaronder diverse locaties in de basale ganglia, waarvan vele zijn betrokken bij oculomotorische wegen. Dit betekent dat een groot aantal studies kunnen worden uitgevoerd met DBS systeem pulsen afgeeftnaar een bepaalde locatie en de hersenen een eye tracking-apparaat op te nemen en de gevolgen ervan te analyseren. Afhankelijk van de experimentele paradigma, kunnen dergelijke studies geven informatie over de fysiologie van de regio wordt gestimuleerd, de gevolgen van de ziekte, of het mechanisme waarmee DBS werkt op die geselecteerde instelling. Dit artikel beschrijft een algemene aanpak van de saccade oogbeweging testen in Deep Brain Stimulation patiënten.

Verschillende soorten eye tracking apparatuur beschikbaar. Voor de in dit protocol beschreven onderzoek werd een draagbare saccadometer gebruikt om horizontale saccade oogbewegingen te nemen. Portable saccadometers het voordeel zonder eigen hoofdsteun (zie figuur 1), waardoor sessies comfortabeler voor patiënten met de ziekte van Parkinson, vooral voor die lijden aan ernstige dyskinesie. De saccadometer hier is licht van gewicht en ongeveer 5 cm breed en 10 cm hoog. De saccadometer measures oogbewegingen door het gebruik van directe infrarood oculografie: een infraroodbron en sensor geplaatst vóór de mediale ooghoek gebruik licht gereflecteerd door het hoornvlies van de rotatiepositie van de oogbal vast te milliseconde intervallen. Om betrouwbare gegevens voor analyse te verkrijgen moet de saccadometer monster met een snelheid van ten minste 1 kHz met ten minste een 12 bit resolutie. In de saccadometer hier gebruikt waren de visuele stimuli drie rode 13 cd m ^-2 plekken van licht geproduceerd door ingebouwde low power lasers, elke plek staalkaart sommige 0,1 graden, met een plek in de middellijn en de andere twee op ± 10 graden (dat wil zeggen , rechts en links).

Figuur 1. De Saccadometer. Hoofd gemonteerd saccadometer bevestigd aan een elastische band en rusten op de brug van de neus. Vier miniatuur lasers projecteren visuele doels op een mat oppervlak, en de deelnemer oogbewegingen worden gemeten door differentiële infrarood reflectie transducers aan de nasale kant van elk oog. Omdat de laser targets te gaan met het hoofd, hoofdsteunen zijn niet nodig. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Protocol

De lokale ethische commissie goedgekeurd deze studie en geïnformeerde toestemming werd verkregen van de deelnemers, zoals hieronder beschreven in paragraaf 1.

1. Deelnemer Toestemming

1. Zorg voor deelnemers met een informatieblad dat legt in detail uit hoe de testsessie zal omvatten.
2. Nadat de deelnemers hebben de mogelijkheid om te lezen en eventuele vragen, problemen of andere zaken die verband houden met hun deel te nemen aan het onderzoek te bespreken, ga door het toestemmingsformulier met hen, uit te leggen elk punt op het toestemmingsformulier en geeft hen de gelegenheid om vragen te stellen zij zouden kunnen hebben. Vraag het aan de deelnemer aan het formulier in te vullen.

2. Instellen van de Saccadometer

1. Plaats het apparaat op het hoofd van de patiënt bevestigd door Verstelbaar elastiek en rusten op de brug van de neus. Omdat de stimuli precies bewegen met de kop, zonder hoofdsteun noodzakelijk en de inrichting comfortabel wear.
2. Vraag de patiënt om te zitten op 1,5 m van een plat mat scherm.
3. Zorg ervoor dat het omgevingslicht is zwak, zodat de stimuli (rood lichtvlekken) duidelijk worden gezien.

3. Opnemen van een saccadische Session

Let op: Als een voorbeeld van een standaard protocol dat zowel prosaccades en antisaccades ⁸ test hier wordt beschreven. Dit protocol bestaat uit vijf blokken: 60 prosaccades, 40 antisaccades x 3, en 60 prosaccades met een pauze van 1 minuut tussen de blokken. De sessie duurt ongeveer 40 min.

1. Stel de saccadometer zodat bij elke proef de centrale fixatiedoel wordt gedurende een willekeurige periode van voor-1,0-2,0 sec, waarna zij wordt opgeheven en een van de perifere doelwitten weergegeven willekeurig naar rechts of links ^9.
   Opmerking: De drie doelen zijn plekken van rood licht geprojecteerd op het scherm aan de voorkant van de deelnemer (zie 2.2) met laag vermogen lasers ingebouwd in de saccadometer. De saccadometer automatically schakelt de lasers aan en uit te display / blussen van de doelen in de noodzakelijke volgorde.
2. Instrueer de deelnemer die het testen bestaat uit vijf blokken met een minuut pauze tussen de blokken.
3. Voorafgaand aan het eerste blok instrueren de deelnemer de ogen zo snel en nauwkeurig mogelijk te bewegen naar de rode stip springen van het midden via de ene of de andere te volgen en te instrueren om dit 60 keer doen.
4. Stel de saccadometer een reeks van 60 proeven genereren. Druk op de knop op de saccadometer aan het eerste blok van de trials (prosaccades) te starten.
5. Na afloop van het eerste blok, laat een minuut kloof voordat het tweede blok. Stel de saccadometer een reeks van 40 proeven genereren, en tegen het einde van de één minuut spleet, instrueren de deelnemer voor het volgende blok om de ogen zo snel mogelijk in de tegenovergestelde richting naar het rode punt en leggen dat zij worden verplicht om dit 40 keer te doen. Start de second blok trials (antisaccades).
6. Na voltooiing van het tweede blok, laat een verdere 1 min gap, herhaalt u de instructies in stap 3.5 en start het derde blok van de proeven (antisaccades).
7. Na voltooiing van het derde blok, reactie nog 1 min gap Herhaal de instructie in stap 3,5 en start het vierde blok trials (antisaccades).
8. Na voltooiing van het vierde blok, reactie nog 1 min gap en verklaren dat het laatste blok tests verzoeken de deelnemers hun ogen zo snel en nauwkeurig mogelijk naar het rode punt springen van het midden naar een kant of volgen andere, precies zoals ze dat deden in het eerste blok.
9. Reset de saccadometer om een ​​reeks van 60 studies te genereren, en beginnen met het laatste blok van de proeven (prosaccades).

Figuur 2. Eye Movement Taken. Schematische illustratiop die twee voorbeelden van saccade taken. De vaste blauwe vlek vertegenwoordigt het doel en de gestippelde blauwe cirkel vertegenwoordigt het gebied van fixatie. LEFT toont een prosaccadic taak waarbij het ​​onderwerp wordt gevraagd om te kijken naar het doel. RECHTS toont een antisaccade waarbij het ​​onderwerp wordt gevraagd om weg te kijken van de visuele stimulus . Dit vereist remming van de meer natuurlijke prosaccade respons en het genereren van een saccade in de tegenovergestelde richting. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

4. diepe hersenstimulatie Instellingen

Opmerking: Voor deelnemers met deep brain stimulatoren voeren het testen tot nu toe met stimulator systeem draait als normaal, dat wil zeggen, heeft een 'op stimulatie' dataset is verkregen. Testen moet nu worden herhaald met de stimulator systeem uitgeschakeld (voor gezonde deelnemers controle zonder DBS systemen is deze sectie niet van toepassing).

1. Schakel de DBS-systeem uit. Doe dit door een getrainde klinisch personeel. Sta 30 min voor het testen.
2. Herhaal de saccadische testen (stappen 3,2-3,9) om een ​​complete 'off stimulatie' dataset te verkrijgen.
3. Schakel de DBS-systeem terug op (weer dit moet gebeuren door daarvoor opgeleide klinisch personeel).

5. Data Analysis

Opmerking: Voor deelnemers met deep brain stimulatoren voeren het testen tot nu toe met stimulator systeem draait als normaal, dat wil zeggen, heeft een 'op stimulatie' dataset is verkregen. Testen moet nu worden herhaald met de stimulator systeem uitgeschakeld (voor gezonde controle deelnemers zonder DBS systemen is deze sectie niet van toepassing).

1. De ruwe gegevens van de saccadometer een computer voor analyse.
2. Gebruik de saccadometer software programma om saccades vervormingen sluitented door knippert en hoofdbewegingen, en voor het berekenen van variabelen, zoals saccadische latencies, piek snelheden, en amplitudes.
   Opmerking: Records verontreinigd door overmatige bewegingen hoofd of knippert worden automatisch verwijderd door de software.
   1. Verwijder saccades met vertraging minder dan 80 msec of meer dan 1000 msec.
      Opmerking: saccadische latentie wordt berekend automatisch met behulp van een saccade-algoritme op basis van snelheid en versnelling. Het begin van een saccade wordt aangeduid als het punt wanneer het oog hoger is dan een drempelwaarde van 5 graden / sec.

Results

Figuur 3 toont een voorbeeld van saccade oogbeweging trajecten, de ziekte van Parkinson een patiënt met een nucleus subthalamicus DBS-systeem geïmplanteerd. De twee grafieken plot prosaccades van de patiënt met de stimulator systeem uitgeschakeld (bovenste grafiek) en ingeschakeld (onderste grafiek). Elk spoor op de grafieken toont de baan van een saccade, dat wil zeggen, hoe het oog positie in graden van de middellijn (y-as) varieert als functie van de tijd (x-...

Discussion

De meest kritische factor bij het verkrijgen van een goede kwaliteit saccade data is ervoor te zorgen dat de instructies gegeven aan de deelnemer zijn duidelijk en nauwkeurig. Bijvoorbeeld, wanneer de instructies voor de antisaccadic taak niet geheel duidelijk, de deelnemer waarschijnlijk prosaccades plaats voeren. Opnamen kunnen ook verwend zijn als de deelnemer niet duidelijk kunt zien dat de stimuli of saccadometer kan niet nauwkeurig meten ooghoogte. Dus als de gegevens worden weergegeven van een lage kwaliteit zijn...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Saccadometer-apparaat	Ober Consulting Poland
Computer met Windows-omgeving
Software, Latency Meter voor het downloaden van de ruwe gegevens van de saccadometer