Zadania behawioralne w trakcie operacji u pacjentów z zachowaną świadomością poddawanych głębokiej stymulacji mózgu

Podsumowanie

Chirurgia głębokiej stymulacji mózgu stwarza wyjątkową okazję do zbadania kodowania informacji w przebudzonym ludzkim mózgu. W niniejszym artykule opisano metody śródoperacyjne stosowane do wykonywania zadań poznawczych i behawioralnych przy jednoczesnej akwizycji danych fizjologicznych, takich jak EMG, aktywność pojedynczych neuronów i/lub potencjały polowe.

Streszczenie

Głęboka stymulacja mózgu (DBS) to procedura chirurgiczna, która kieruje chroniczną, wysokoczęstotliwościową stymulację elektryczną do konkretnych obszarów mózgu za pomocą wszczepionych elektrod. Głęboka stymulacja mózgu została po raz pierwszy zastosowana jako metoda terapeutyczna przez Benabida et al. pod koniec lat 80. XX wieku, kiedy wykorzystał on tę technikę do stymulacji jądra brzusznego pośredniego wzgórza w leczeniu drżenia ¹. Obecnie procedura ta jest stosowana u pacjentów, u których leczenie farmakologiczne nie przynosi odpowiednich efektów w chorobach takich jak choroba Parkinsona, dystonia i drżenie samoistne. Skuteczność tej procedury w leczeniu choroby Parkinsona została wykazana w randomizowanych badaniach kontrolowanych o wysokiej mocy statystycznej ². Obecnie amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) zatwierdziła DBS jako metodę leczenia pacjentów z opornym na leki drżeniem samoistnym, chorobą Parkinsona oraz dystonią. Ponadto DBS jest obecnie oceniana pod kątem leczenia innych zaburzeń psychiatrycznych i neurologicznych, takich jak zaburzenia obsesyjno-kompulsyjne, ciężka depresja oraz epilepsja.

Wykazano, że DBS nie tylko pomaga pacjentom poprzez poprawę jakości ich życia, ale także stwarza badaczom wyjątkową okazję do studiowania i zrozumienia ludzkiego mózgu. Podczas operacji DBS rutynowo przeprowadza się rejestrację mikroelektrodową w celu zwiększenia precyzji celowania anatomicznego. Można zatem rejestrować wzorce wyładowań pojedynczych neuronów podczas wykonywania przez pacjenta zadania behawioralnego. Wczesne badania wykorzystujące te dane koncentrowały się na aspektach opisowych, w tym na częstotliwościach wyładowań i serii wyładowań oraz modulacji częstotliwości ³. Nowsze badania skupiały się na poznawczych aspektach zachowania w odniesieniu do aktywności neuronalnej ^4,5. Niniejszy artykuł zawiera opis metod śródoperacyjnych stosowanych do przeprowadzania zadań behawioralnych i rejestracji danych neuronalnych u pacjentów przytomnych podczas zabiegów DBS. Nasze przedstawienie procesu pozyskiwania danych elektrofizjologicznych wyjaśni obecny zakres i ograniczenia śródoperacyjnych eksperymentów na ludziach.

Protokół

1. Rekrutacja i zgoda uczestników

1. Po ocenie klinicznej i wyrażeniu zgody na głęboką stymulację mózgu (DBS) jądra podwzgórza (STN) w przypadku opornej na leczenie choroby Parkinsona, informacje o każdym pacjencie są analizowane w celu ustalenia, czy spełnia on/ona kryteria badania śródoperacyjnego (zdefiniowane w protokole zatwierdzonym przez Instytucjonalną Komisję Recenzyjną w Massachusetts General Hospital).
2. Jeśli zostanie ustalone, że badany spełnia kryteria badania, lekarz będący członkiem grupy badawczej (nie będący chirurgiem operującym) kontaktuje się z pacjentem, aby omówić możliwość udziału w badaniu.
3. Następnie badany zapoznaje się z formularzem zgody na udział w badaniu, który jest mu wyjaśniany. Co istotne, podczas wyjaśniania badania podkreśla się, że udział w nim jest dobrowolny i że w dowolnym momencie pacjent ma możliwość wycofania się z uczestnictwa. Ponadto zaznacza się, że decyzja o udziale lub wycofaniu się z badania nie ma żadnego wpływu na otrzymywaną przez niego opiekę medyczną.
4. Jeśli zostanie ustalone, że badany rozumie i zgadza się na udział w badaniu, podpisuje on zatwierdzoną świadomą zgodę i zostaje włączony do badania.

2. Trening behawioralny i konfiguracja zestawu

1. W ramach operacji DBS w chorobie Parkinsona pacjenci są przyjmowani do szpitala na dzień przed zabiegiem. Stanowi to okazję do przeszkolenia pacjenta w zadaniu behawioralnym. Szkolenie to jest niezbędne, ponieważ zapewnia czas, w którym pacjent może nauczyć się wykonywać zadanie i oswoić się z jego zasadami, co pozwala wyeliminować zakłócenia wynikające z tzw. „efektu uczenia się” (patrz. dyskusja).
2. Przenośny zestaw behawioralny jest dostarczany do sali szpitalnej pacjenta w noc poprzedzającą operację.
3. Zestaw ten jest wyposażony w dokładnie to samo zadanie behawioralne, które pacjent będzie musiał wykonać w dniu badania śródoperacyjnego.
   1. W tym przykładzie pacjent jest proszony o zagranie w grę karcianą podobną do gry „wojna”. W tej grze pacjent musi postawić zakład (20 $ lub 5 $) na to, czy jego karta jest wyższa niż karta komputera. Celem tego zadania jest ocena roli nagrody i ryzyka w kodowaniu neuronalnym w STN. Aby zmotywować pacjenta, informuje się go, że otrzyma część swoich wygranych.
   2. W celu ograniczenia liczby potencjalnych kombinacji (i wynikających z nich zakłóceń), używane są tylko karty o numerach parzystych z jednego koloru (np. 2, 4, 6, 8 i 10 pik). Dzięki temu potencjalne wyniki i oczekiwania związane z zadaniem mogą być łatwo obliczone i przeanalizowane.
   3. W każdej próbie pacjent najpierw widzi ekran przedstawiający jego losowo wybraną kartę oraz rewers nieznanej karty komputera. Następnie na ekranie pojawiają się dwie opcje zakładu: 5 $ i 20 $. W zależności od względnej wartości swojej karty, pacjent wskazuje stawkę za pomocą przycisku, po czym ekran wyświetla jego kartę oraz odkrytą kartę komputera. Ostatni ekran wyraźnie pokazuje kwotę wygraną lub przegraną.
4. Pacjent może grać w grę do momentu, aż w pełni zrozumie jej zasady i zacznie radzić sobie z nią swobodnie.

3. Śródoperacyjnie – konfiguracja eksperymentalna

1. Po ułożeniu badanego na stole operacyjnym do sali operacyjnej wprowadza się zestaw zawierający sprzęt do pomiarów behawioralnych, akwizycji danych i przetwarzania sygnałów. Pozycjonowanie zestawu musi uwzględniać standardowy przepływ pracy oraz kwestie sterylności związane z warunkami na sali operacyjnej.
2. Ponieważ komponenty tych zestawów są montowane i demontowane przed każdą sesją rejestracyjną, kluczowe jest sprawdzenie wszystkich połączeń sprzętowych. Dlatego w momencie podłączania każdego komponentu do systemu akwizycji należy zweryfikować integralność danych. Procedury te powinny zostać przeprowadzone na wczesnym etapie operacji, aby uniknąć konieczności rozwiązywania tych problemów w krytycznym czasie rejestracji.
   1. Najpierw uruchom sprzęt do akwizycji i przetwarzania sygnałów. Podłącz wyjścia zestawu do przetwarzania sygnałów do wejść zestawu akwizycyjnego. W przypadku niniejszego badania będziemy rejestrować trzy kanały potencjałów czynnościowych zewnątrzkomórkowych, odpowiadające trzem elektrodom zorientowanym parasagitalnie, które zostaną wprowadzone do mózgu badanego podczas operacji. Włączaj wzmacniacze pojedynczo, aby upewnić się, że system akwizycji rejestruje sygnały.
   2. Zamocuj monitor do stołu operacyjnego w wygodnej pozycji widoczności, używając odpowiedniego adaptera.
   3. Jeśli używane jest urządzenie wejściowe (dżojstik, panel przycisków, klawiatura itp.), umieść je w odpowiednim miejscu, zwracając uwagę na lateralizację względem strony mózgu, z której pobierane będą zapisy. Upewnij się, że dłoń badanego jest wygodnie ułożona do obsługi urządzenia wejściowego. Rozważ poproszenie anestezjologa o zamocowanie pulsoksymetru na drugiej dłoni, aby zapewnić prawidłowe działanie urządzenia. W tym zadaniu wykorzystujemy panel przycisków.
   4. Uruchom system behawioralny i upewnij się, że markery zdarzeń behawioralnych są rejestrowane przez zestaw akwizycyjny.
   5. Uruchom zadanie behawioralne i pozwól badanemu wykonać kilka prób. W tym czasie upewnij się, że system akwizycji rejestruje sygnały z panelu przycisków oraz markery behawioralne generowane przez zestaw behawioralny.
   6. Jeśli wszystkie połączenia działają poprawnie, zatrzymaj zadanie behawioralne i zestaw akwizycyjny.

4. Izolacja neuronów jądra podwzgórzowego

1. Celem operacji jest wprowadzenie przewodów do przewlekłej głębokiej stymulacji mózgu (DBS) do obszaru ruchowego jądra bladego wewnętrznego (STN). Pozycjonowanie to osiąga się poprzez połączenie obrazowania stereotaktycznego i rejestracji neurofizjologicznych.
2. Szczegóły planowania stereotaktycznego i samego zabiegu chirurgicznego będą oczywiście różnić się w zależności od instytucji, ale ogólny proces jest podobny. W naszej instytucji stosuje się ramę stereotaktyczną i klatkę z markerami Cosman-Roberts-Wells oraz wykonuje się tomografię komputerową (CT) głowy. Obraz CT z markerami jest scalany z wcześniej wykonanym wolumetrycznym rezonansem magnetycznym (MRI) mózgu w systemie neuronawigacyjnym (StealthStation, Medtronics, Minneapolis, MN; lub BrainLab VectorVision, Feldkirchen, Niemcy). Współrzędne docelowego obszaru mózgu (w tym przypadku STN) są przeliczane na współrzędne ramy. Na sali operacyjnej pacjent zostaje ułożony wygodnie w pozycji półleżącej, a następnie przygotowany i obłożony zgodnie ze standardową techniką chirurgiczną. Współrzędne lewego STN są zaprogramowane w ramie, która zostaje umieszczona na pacjencie. Wykonuje się nacięcie skóry i retrakcję. Wykonuje się otwory trepanacyjne i tworzy mały otwór w oponie twardej. Kaniule przymocowane do mikrodrajweru są doprowadzane do pozycji i posuwane, aż końce kaniul znajdą się 25 mm powyżej celu.
3. Po wprowadzeniu kaniul do mózgu wewnętrzne zgłębniki są usuwane i zastępowane mikroelektrodami o wysokiej impedancji (0.3 - 1 mega-Ohm) (FHC, Bowdoin, ME). Przedwzmacniacze zestawu do przetwarzania sygnałów są podłączane do każdej elektrody, a różnicowy kanał odniesienia jest podłączany do zewnętrznej kaniuli.
4. W zestawie do przetwarzania sygnałów włącza się wzmacniacze i ocenia sygnał zewnątrzkomórkowy. Dodatkowo, przed dalszym posuwaniem w głąb mózgu, sprawdza się impedancję każdej elektrody.
5. Chirurg powolnie posuwa elektrody (krokami 0.05-0.4 mm) do wnętrza mózgu. Elektrody są posuwane, zaczynając od odległości 25 mm od obliczonego celu w kierunku STN. Ta trajektoria sprawia, że elektroda przechodzi przez jądro ogoniaste, wzgórze, zona inserta, a ostatecznie trafia do STN.
6. Gdy elektrody wprowadzą się do STN, fizjolog manipuluje kończynami po stronie przeciwległej pacjenta, aby ustalić, czy sygnał neuronalny wykazuje odpowiedź ruchową. Gdy chirurg i eksperymentator uznają pozycję elektrod za satysfakcjonującą, można rozpocząć zadanie behawioralne.

5. Pozyskiwanie danych

1. Przed rozpoczęciem zadania behawioralnego należy udokumentować głębokość wprowadzenia mikroelektrod oraz reaktywność motoryczną izolowanego neuronu lub neuronów.
2. Następnie informuje się badanego o rozpoczęciu zadania. Należy upewnić się, że panel z przyciskami jest nadal wygodnie rozmieszczony, a monitor jest w pełni widoczny.
3. Należy uruchomić akwizycję danych i zarejestrować aktywność bazową przez co najmniej 1 minutę przed rozpoczęciem zadania behawioralnego.
4. W trakcie wykonywania zadania przez badanego należy monitorować rejestrowane dane. W przypadku jakichkolwiek zakłóceń w akwizycji należy przerwać zadanie i usunąć problem.
5. W niniejszym badaniu badany jest proszony o wykonanie 120 prób dla każdej głębokości w STN.
6. Zadania mogą być wykonywane wielokrotnie dla każdej głębokości w STN; istnieją jednak ograniczenia dotyczące czasu trwania tych badań śródoperacyjnych (opisane szerzej w dyskusji). Ograniczamy czas rejestracji eksperymentalnej do 30 minut, aby zapobiec dyskomfortowi pacjenta i nadmiernemu wydłużeniu operacji. Ponadto badany ma możliwość odrzucenia dalszych rejestracji w dowolnym momencie, w którym przypadku zadanie behawioralne zostaje przerwane, a operacja jest kontynuowana.
7. Po zakończeniu badania dane są kopiowane zapasowo i archiwizowane do późniejszej analizy.

6. Analiza danych

1. W pierwszej kolejności sygnały neuronalne są rozdzielane na poszczególne znaczniki czasu impulsów (spike timestamps) przy użyciu dostępnego komercyjnie oprogramowania.
2. Następnie analizowane są kody zadań behawioralnych, a znaczniki czasu aktywności neuronalnej są synchronizowane za pomocą skryptu napisanego w programie Matlab.

Reprezentatywne wyniki:

Rysunek 1 przedstawia reprezentatywne wyniki z pojedynczego neuronu STN zarejestrowane podczas opisanej powyżej gry w wojnę. Górne panele przedstawiają wykresy rastrowe wycentrowane na czterech behawioralnie istotnych epokach w zadaniu: okresie fiksacji przed każdą próbą, prezentacji karty badanego, naciśnięciu przycisku wskazującym stawkę badanego oraz prezentacji karty komputera. Dolne panele przedstawiają peri-stymulacyjne histogramy czasu (PSTH) z podziałem na przedziały (przedziały 50 ms). Neuron ten nie reaguje silnie na prezentację karty badanego, ale znacząco zwiększa częstotliwość wyładowań w okolicach naciśnięcia przycisku. Aktywność ta trwa do momentu odkrycia karty komputera, po czym częstotliwość wyładowań spada do poziomu bazowego.

Rycina 1. Reprezentatywny neuron STN. Przedstawiono rastry (panele górne) oraz peri-stimulus time histograms (PSTH) wycentrowane na epokach istotnych behawioralnie dla reprezentatywnego pojedynczego neuronu STN. Częstotliwość wyładowań tego neuronu znacznie wzrasta w czasie naciskania przycisku, co wskazuje na postawioną przez badanego stawkę.

Dyskusja

Chirurgiczna stymulacja głęboka mózgu (DBS) stwarza cenną okazję do badania aktywności pojedynczych neuronów w ludzkim mózgu. Do tej pory szansa ta pozwoliła na przeprowadzenie licznych badań opisowych charakteryzujących aktywność różnych jąder głębokich. W ostatnim czasie zadania śródoperacyjne stały się bardziej zaawansowane, aby odnosić się do różnych aspektów zachowania i poznania. Celem niniejszego protokołu jest dostarczenie przewodnika po wdrażaniu skutecznych behawioralnych zadań śródoperacyjnych. Cele zadania or...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Układ behawioralny
PC z podwójnym wyjściem wideo	Dell	Optiplex 745
Karty cyfrowe	National Instruments	PCI-6229
Płyta z złączami	National Instruments	BNC-2090a
Oprogramowanie	Mathworks	Matlab 2007b***
Oprogramowanie behawioralne	Eskandar Lab	www.Monkeylogic.net
Układ akwizycyjny
PC	Dell	Optiplex 745
Karty cyfrowe	Cambridge Electronic Design	Power 1401
Oprogramowanie	Cambridge Electronic Design	Spike2
Przetwarzanie sygnałów	Alpha-Omega Engineering*	Micro-Guide Pro
Analiza
Postprocessing sygnału neuronalnego	Plexon	Offline Sorter
Oprogramowanie	Mathworks	Matlab 2007b
Panel przycisków	Patrz: ’Montaż przycisków’
*Oznacza, że element ten może zostać zastąpiony porównywalnym sprzętem lub oprogramowaniem; ** Oznacza, że można zastosować zamienne komponenty National Instruments (informacje o kompatybilności dostępne na www.Monkeylogic.net); *** Informacje o wymaganych konkretnych toolboxach Matlab dostępne na www.Monkeylogic.net.