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, analizowane są informacje o każdym pacjencie w celu ustalenia, czy spełnia on/ona kryteria badania śródoperacyjnego (zdefiniowane w protokole zatwierdzonym przez Instytucjonalną Komisję Rewizyjną w Massachusetts General Hospital).
2. Jeśli stwierdzono, 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 zostaje mu wyjaśniony. Co istotne, podczas wyjaśniania celu badania podkreśla się, że udział w nim jest dobrowolny i że w dowolnym momencie pacjent ma możliwość wycofania się z udziału. Ponadto zaznacza się, że decyzja o udziale w badaniu lub rezygnacji z niego nie ma żadnego wpływu na otrzymywaną opiekę medyczną.
4. Jeśli uznano, że badany rozumie i zgadza się na udział w badaniu, podpisuje on/ona zatwierdzoną świadomą zgodę i zostaje włączony/a do badania.

2. Trening behawioralny i konfiguracja aparatury

1. W ramach operacji DBS w chorobie Parkinsona pacjenci zostają przyjęci do szpitala na dzień przed zabiegiem. Daje to możliwość przeszkolenia pacjenta w zakresie zadania behawioralnego. Szkolenie to jest niezbędne, ponieważ zapewnia okres, w którym pacjent może nauczyć się wykonywać zadanie i oswoić się z jego zasadami, co eliminuje zakłócenia wynikające z tzw. „efektu uczenia się” (patrz: dyskusja).
2. Przenośny zestaw behawioralny zostaje dostarczony 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 ma wyższą wartość niż karta komputera. Celem tego zadania jest ocena roli nagrody i ryzyka w kodowaniu neuronalnym w obrębie STN. Aby zmotywować pacjenta, informuje się go, że otrzyma część wygranych środków.
   2. W celu ograniczenia potencjalnych kombinacji (i wynikających z nich zakłóceń), używa się tylko kart 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 widzi najpierw ekran przedstawiający jego losowo dobraną kartę oraz rewers nieznanej karty komputera. Następnie na ekranie pojawiają się dwie opcje zakładu: 5 $ i 20 $. W zależności od relatywnej wartości swojej karty, pacjent wskazuje stawkę zakładu za pomocą przycisku, po czym na ekranie wyświetla się jego karta oraz odkryta karta komputera. Ostatni ekran jednoznacznie przedstawia kwotę wygraną lub przegraną.
4. Pacjent może grać w grę do momentu, aż w pełni zrozumie jej zasady i osiągnie satysfakcjonujący poziom wykonania.

3. Śródoperacyjny - Układ eksperymentalny

1. Po ułożeniu badanego na stole operacyjnym do sali operacyjnej wprowadza się zestaw zawierający sprzęt do rejestracji behawioralnej, akwizycji danych i przetwarzania sygnałów. Pozycjonowanie zestawu musi uwzględniać standardowy przepływ pracy oraz kwestie sterylności związane z warunkami panującymi na sali operacyjnej.
2. Ponieważ komponenty tych zestawów są montowane i demontowane przed każdą sesją nagraniową, kluczowe jest sprawdzenie wszystkich połączeń sprzętowych. W związku z tym, przy podłączaniu każdego komponentu do systemu akwizycji danych należy zweryfikować integralność danych. Procedury te powinny zostać przeprowadzone na wczesnym etapie operacji, aby uniknąć konieczności rozwiązywania problemów technicznych 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. Przymocuj monitor do stołu operacyjnego w wygodnej pozycji widoczności, używając odpowiedniego adaptera.
   3. Jeśli używane jest urządzenie wejściowe (joystick, panel przycisków, klawiatura itp.), umieść je w odpowiednim miejscu, zwracając uwagę na lateralizację względem strony mózgu, z której będą pobierane 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 zadania. W tym czasie upewnij się, że system akwizycji rejestruje sygnały z panelu przycisków oraz markery behawioralne generowane przez zestaw behawioralny.
   6. Jeśli wszystkie połączenia są sprawne, zatrzymaj zadanie behawioralne i zestaw akwizycyjny.

4. Izolacja neuronów jądra podwzgórzowego

1. Celem operacji jest umieszczenie chronicznych elektrod DBS w obszarze motorycznym STN. Pozycjonowanie to jest realizowane poprzez połączenie obrazowania stereotaktycznego i rejestracji neurofizjologicznych.
2. Szczegóły planowania stereotaktycznego i samej procedury chirurgicznej będą oczywiście różnić się w zależności od instytucji, jednak ogólny proces jest podobny. W naszej instytucji stosuje się ramę stereotaktyczną i klatkę fiducyjną Cosman-Roberts-Wells, a następnie wykonuje się tomografię komputerową (CT) głowy. Obraz CT z markerami fiducyjnymi jest łączony z wcześniej uzyskanym wolumetrycznym MRI mózgu w systemie neuronawigacyjnym (StealthStation, Medtronics, Minneapolis, MN; lub BrainLab VectorVision, Feldkirchen, Germany). Współrzędne docelowego obszaru mózgu (w tym przypadku STN) są przeliczane na współrzędne ramy. Na sali operacyjnej pacjent zostaje ułożony wygodnie w pozycji półleżącej, przygotowany i obłożony zgodnie ze standardową techniką chirurgiczną. Współrzędne lewego STN są zaprogramowane w ramie, która zostaje umieszczona na pacjencie. Skóra zostaje nacięta i odsunięta. Wykonuje się otwory trepanacyjne i tworzy niewielki otwór w oponie twardej. Kaniule przymocowane do mikrozasilacza są ustawiane i wysuwane, aż ich końcówki znajdą się 25 mm powyżej celu.
3. Po wprowadzeniu kaniul do mózgu, wewnętrzne stylety 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 referencyjny do zewnętrznej kaniuli.
4. W zestawie do przetwarzania sygnałów włącza się wzmacniacze i ocenia sygnał zewnątrzkomórkowy. Dodatkowo, przed dalszym wprowadzaniem do mózgu, sprawdza się impedancję każdej elektrody.
5. Chirurg powoli wysuwa elektrody (w krokach 0.05-0.4 mm) w głąb mózgu. Elektrody są wysuwane, zaczynając od odległości 25 mm od wyznaczonego celu w stronę STN. Taka trajektoria sprawia, że elektroda przechodzi przez jądro ogoniaste, wzgórze, zona inserta, a na koniec trafia do STN.
6. Po wejściu elektrod do STN, fizjolog manipuluje przeciwległymi kończynami pacjenta, aby ustalić, czy sygnał neuronalny wykazuje odpowiedź motoryczną. Gdy chirurg i eksperymentator uznają położenie elektrod za satysfakcjonujące, 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 ważne jest monitorowanie rejestrowanych danych. 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 odmowy dalszych rejestracji w dowolnym momencie, w takim przypadku zadanie behawioralne zostaje przerwane, a operacja zostaje wznowiona.
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 indywidualne znaczniki czasowe impulsów (spike timestamps) przy użyciu dostępnego komercyjnie oprogramowania.
2. Następnie analizowane są kody zadań behawioralnych, a znaczniki czasowe aktywności neuronalnej są synchronizowane za pomocą skryptu napisanego w programie Matlab.

Reprezentatywne wyniki:

Rycina 1 przedstawia reprezentatywne wyniki z jednego neuronu STN zarejestrowane podczas opisanej powyżej gry w Wojnę. Górne panele ukazują 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 czasowe (PSTH) w koszykach (koszyki 50 ms). Neuron ten nie reaguje silnie na prezentację karty badanego, lecz znacząco zwiększa częstotliwość wyładowań w okolicach naciśnięcia przycisku. Aktywność ta trwa do momentu odsłonięcia karty komputera, po czym częstotliwość wyładowań spada do poziomu bazowego.

Rysunek 1. Reprezentatywny neuron STN. Przedstawiono rastry (panele górne) oraz peri-stimulus time histograms (PSTH) wycentrowane na istotnych behawioralnie epokach dla reprezentatywnego pojedynczego neuronu STN. Częstotliwość wyładowań tego neuronu znacznie wzrasta w czasie naciskania przycisku wskazującego zakład badanego.

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.