Rejestrowanie aktywności neuronalnej kory mózgowej i podkorowej za pomocą systemów elektrod

Abstract

Źródło: Trenado, C., et al. Połączone inwazyjne podkorowe i nieinwazyjne powierzchniowe nagrania neurofizjologiczne do oceny funkcji poznawczych i emocjonalnych u ludzi. J. Vis. Exp. (2016).

Ten film pokazuje proces rejestrowania aktywności neuronalnej kory mózgowej i podkorowej za pomocą elektrod elektroencefalograficznych (EEG) i głębokiej stymulacji mózgu (DBS) podczas testu stymulacji wzrokowej opartej na uwadze.

Protocol

Wszystkie procedury z udziałem ludzi zostały przeprowadzone zgodnie z instytucjonalnymi, krajowymi i międzynarodowymi wytycznymi dotyczącymi dobrobytu ludzi i zostały sprawdzone przez lokalną komisję rewizyjną instytucji.

1. Projekt paradygmatu eksperymentalnego i zgoda pacjenta

UWAGA: Zaprojektuj eksperymentalny paradygmat lub wybierz istniejący eksperymentalny paradygmat, aby skupić się na poznawczym/emocjonalnym aspekcie zainteresowania.

1. Wybierz pacjentów, którzy zostaną poddani leczeniu DBS. Należy zapytać, czy pacjent spełnia kryteria włączenia do badania. Jeśli tak, należy uzyskać podpisaną świadomą zgodę pacjenta i/lub komisji etycznej (jeśli dotyczy) na przeprowadzenie pooperacyjnej rejestracji i zastosowanie odpowiedniego paradygmatu poznawczego.
   nuta: Rejestracja pooperacyjna odbywa się następnego dnia po przeprowadzeniu wstępnej operacji DBS w celu wszczepienia elektrod DBS (wraz z ich odpowiednim eksternalizacją z głowy za pomocą specjalnych), a przed przeprowadzeniem drugiej operacji w celu trwałego wszczepienia elektrod i stymulatorów DBS.
   1. W zadaniu Flankera (Przykład 1) uzyskaj podpisaną świadomą zgodę od pacjenta z zaburzeniami ruchowymi (np. chorobą Huntingtona lub Parkinsona) na przeprowadzenie zapisu pooperacyjnego. Celem eksperymentu Flankera jest przetestowanie zdolności pacjenta do przystosowania się do błędnego zachowania i określenie, w jaki sposób taka adaptacja znajduje odzwierciedlenie w aktywności oscylacyjnej mózgu na poziomie kory mózgowej i podkorowej.
      UWAGA: Wybór pacjenta jest podyktowany mechanizmem poznawczym, którym należy się zająć, oraz zaburzeniem pacjenta. W przykładzie przypadku DBS-DOC (Przykład 2) wybrano pacjentkę z DOC, która doznała urazu głowy w wieku 38 lat. Ze względu na stan pacjenta ograniczający świadomą zgodę, leczenie DBS i udział w eksperymencie zostały zatwierdzone wyłącznie przez lokalną komisję etyczną. Głównym celem zapisu pooperacyjnego DOC było ustalenie, czy funkcja mózgu w odniesieniu do przetwarzania poznawczo-emocjonalnego jest nadal nienaruszona u pacjenta z tak ciężkim zaburzeniem świadomości.
2. Wybierz rodzaj bodźca, który ma być prezentowany (słuchowy, wzrokowy). Określ kolejność prezentacji bodźca (projekt blokowy lub mieszany). Wybierz czas trwania bodźca, interwał między bodźcami (ISI) i liczbę prób.
   1. Jako jeden praktyczny przykład, wykonaj zadanie Flanker (Przykład 1, Rysunek 1A), aby zbadać zdolność do adaptacji zachowania w odpowiedzi na popełnienie błędów reakcji. Zadanie to składa się z bodźców wzrokowych (flankowane groty strzał ułożone pionowo).
   2. Flankuj bodziec docelowy (grot strzałki pośrodku) dwiema sąsiednimi strzałkami (powyżej i poniżej celu) skierowanymi w tym samym (zgodnym) lub przeciwnym (niezgodnym) kierunku. Dodatkowo rozważ zatrzymanie prób (kółko pośrodku).
   3. Przedstaw cel w lewo lub w prawo i poproś uczestnika, aby nacisnął przycisk odpowiedzi lewym lub prawym kciukiem. W próbach zatrzymania poinstruuj uczestników, aby nie odpowiadali. Flankery powinny znajdować się 200 ms przed celem. Wyświetla cel przez 300 ms i ustawia interwał bodźca odpowiedzi na 2,000 ms (czas, który upłynął, jest wskazywany sygnałem dźwiękowym). W tym zadaniu przedstaw w sumie cztery bloki po 120 bodźców każdy. Prezentuj losowo bodźce zgodne (60%), niezgodne (20%) i przerywane (20%).
      nuta: Ta wartość odstępu między bodźcami została wybrana, aby uniknąć dużej liczby pominiętych badań przy rozpatrywaniu pacjentów z niepełnosprawnością ruchową. Flankery i cele zostały wyłączone jednocześnie, a pacjenci zostali poinstruowani, aby zareagować tak szybko, jak to możliwe.
      nuta: W przykładzie przypadku DBS-DOC (Przykład 2, Rysunek 1B) paradygmat eksperymentalny składał się z neutralnych bodźców mowy nieadresujących i adresowanych do znajomych26 w projekcie blokowym. Czas trwania bodźca ustalono na 4 sekundy (z randomizowanym interwałem między bodźcami 4 i 5 sekund). W tym paradygmacie uwzględniono łącznie 80 prób dla każdego warunku (ryc. 1B).
3. Wyobraź sobie fizyczne ograniczenia i potrzeby pacjenta w nagraniu pooperacyjnym. W szczególności określ, czy pacjent jest w stanie korzystać z klawiatury komputera, biorąc pod uwagę obecność nadmiernych ruchów pląsawicy (choroba Huntingtona) lub drżenia (choroba Parkinsona).
   1. Upewnij się, że pacjent widzi monitor (ponieważ znieczulenie miejscowe lub stereotaktyczna rama głowy zastosowana podczas operacji DBS mogły spowodować obrzęk twarzy i wokół oczu) i wygodnie siedzieć przez cały czas trwania eksperymentu. Nie należy wykonywać eksperymentu, jeśli pacjent nie spełnia tych warunków.

2. Przygotowanie do pooperacyjnych zapisów podkorowych (lokalne potencjały pola lub LFP) i powierzchniowych (EEG)

1. Ustaw sprzęt EEG (patrz Materiały w plikach dodatkowych) w pomieszczeniu, w którym będzie przeprowadzany eksperyment. Podłącz komputer rejestrujący do systemu EEG. Uruchom oprogramowanie do rejestracji EEG (patrz "materiały" w plikach dodatkowych).
2. Kliknij "Plik", a następnie "Nowe pole robocze", aby zdefiniować obszar roboczy w oprogramowaniu do rejestracji EEG, określając: częstotliwość próbkowania 5 kHz, niską częstotliwość odcięcia (DC) i wysoką częstotliwość odcięcia (1 000 Hz), kanały EEG zgodnie z międzynarodowym systemem 10/20 (co najmniej: czołowo-centralne (Fz), centro-centralne (Cz), czołowo-polarne odniesienie (Fpz) i naziemne (wyrostek sutkowaty) oraz w zależności od paradygmatu ponadto ciemieniowo-centralne (Pz), kanały potyliczno-centralne (Oz), skroniowe (T3/T4), czołowo-przyśrodkowe (F3/F4), czołowo-boczne (F7/F8) ) (ryc. 2D) i LFP (LFPL 0, LFPL1, LFPL2, LFPL3 (lewa półkula, ryc. 2C); LFPR0, LFPR1, LFPR2 i LFPR3 (prawa półkula)). Kliknij "Monitor", aby sprawdzić, czy określone kanały są teraz skonfigurowane do nagrywania.
   nuta: Przestrzeń robocza powinna być przygotowana wcześniej, aby zminimalizować czas eksperymentu i nadzorować nieoczekiwane zmiany w konfiguracji nagrania. Zapewni to najwyższą rozdzielczość czasową, prawidłowe ustawienia filtrów, odpowiednią częstotliwość próbkowania oraz właściwy dobór interesujących nas kanałów.
3. Skonfiguruj komputer bodźca, podłączając port równoległy do systemu EEG. Uruchom oprogramowanie stymulacyjne. Kliknij "uruchom", aby sprawdzić funkcjonalność paradygmatu na monitorze komputera (bodźce wizualne) i/lub głośnikach (bodźce słuchowe, sygnały dźwiękowe). Upewnij się, że markery (wyzwalacze) z komputera bodźców są wczytywane do systemu rejestracji podczas prezentacji bodźców i reakcji badanego, sprawdzając ich pojawienie się w oprogramowaniu do zapisu EEG.
   nuta: Wyzwalacze z urządzeń stymulujących muszą trwać co najmniej 200 μs, aby mogły zostać wykryte przez system EEG (z częstotliwością próbkowania 5 kHz). Ponieważ wyzwalacze są markerami zdarzeń związanych ze zdarzeniami lub aktywnością związaną z wywołaniem, które występują w określonym czasie, ich funkcja ma kluczowe znaczenie dla późniejszej analizy danych. W przykładzie przypadku DBS-DOC (przykład 2) paradygmat eksperymentalny (ryc. 1B) składał się z bodźców słuchowych (znanych i nieznanych głosów), więc wyzwalacze ustawiono na początku i na końcu każdego prezentowanego bodźca. W przypadku zadania Flanker (Ryc. 1A) wyzwalacze były ustawiane w momencie, gdy 1) pojawiły się bodźce flankujące i docelowe, 2) pacjent zareagował i 3) słychać było sygnał dźwiękowy informujący pacjenta, że upłynął czas reakcji.
4. Oznacz wierzchołek głowy pacjenta jako punkt środkowy między nasionem a wcięciem za pomocą markera do skóry i postępując zgodnie z zaleceniami doświadczonego neurologa lub specjalisty EEG. Dodatkowo należy oznaczyć wybrane pozycje elektrod EEG za pomocą systemu 10-20. Przymocuj elektrody powierzchniowe EEG do skóry głowy, najpierw czyszcząc każde wybrane miejsce wacikiem nasączonym alkoholem izopropylowym, a następnie używając pasty ściernej.
   nuta: Takie działania są ograniczone przez umieszczenie bandaży na głowie pacjenta z DBS. Jednak doświadczony neurolog powinien być w stanie określić odpowiednią (przybliżoną) lokalizację dla każdej elektrody/kanału. Aby zapewnić prawidłowy kontakt, odsuń włosy na bok (jeśli dotyczy). Ze względu na łatwość umieszczenia można stosować elektrody samoprzylepne zabezpieczone taśmą chirurgiczną.
5. Podłącz zewnętrzne elektrody DBS do przedłużenia przezskórnego. Podłącz przezskórne przedłużenie do zewnętrznego złącza. Podłącz każdą elektrodę dostarczoną przez złącze zewnętrznego do skrzynki sterowniczej EEG zgodnie z konfiguracją zapisu EEG. Podłącz elektrody EEG skóry głowy do skrzynki kontrolnej EEG, najpierw podłączając masę i odniesienie.
6. Przymocuj elektrody EMG (elektrody referencyjne i aktywne) do określonych mięśni, najpierw czyszcząc obszar wacikiem nasączonym alkoholem izopropylowym. Następnie podłącz elektrody EMG do skrzynki kontrolnej EEG.
   nuta: Ten etap jest opcjonalny i wykonywany głównie wtedy, gdy zadania motoryczne są uwzględniane w paradygmacie lub gdy wymagane jest monitorowanie aktywności mięśni, jak w przypadku pacjentów z zaburzeniami motorycznymi.
7. Kliknij "Monitoruj", aby wyświetlić dane. Upewnij się, że sygnały EEG i EMG wyświetlane na monitorze są wolne od artefaktów, wykrywając obecność drgań i nałożonych składowych o wysokiej częstotliwości. Zapoznaj się z wytycznymi dotyczącymi rodzajów artefaktów i innych czynników związanych z rejestracją sygnałów elektroencefalograficznych35 i/lub poproś o poradę techniczną doświadczonego neurologa lub neurobiologa, dopóki nie zapoznasz się z rodzajem zaburzeń występujących w takich zapisach fizjologicznych.
   nuta: Ten krok jest ważny, aby zapewnić wysoką jakość sygnałów do analizy danych w trybie off-line.

3. Rejestracja pooperacyjnej aktywności mózgu podkorowej (LFP) i powierzchniowej (EEG)

1. Przekaż instrukcje pacjentowi. Upewnij się, że pacjent czuje się komfortowo i poinstruuj go, aby przerwał eksperyment w dowolnym momencie dyskomfortu.
2. Kliknij przycisk "uruchom" w oprogramowaniu bodźca, aby pacjent był w stanie zobaczyć paradygmat na monitorze i/lub posłuchać sygnałów dźwiękowych i dźwięków. Przeprowadź sesję treningową z pacjentem, dopóki nie poczuje się komfortowo z zadaniem. Rozpocznij jednoczesne rejestrowanie podkorowej (LFP) i korowej (EEG) aktywności mózgu, podczas gdy pacjent wykonuje zadanie eksperymentalne.
   nuta: W przypadku przykładu DBS-DOC (Przykład 2) paradygmat składał się z bodźców słuchowych w konstrukcji blokowej, jak opisano na rysunku (Rysunek 1B). W przypadku zadania Flankera (ryc. 1A) bodźce wzrokowe odpowiadające trzem warunkom (zgodność (60%), niezgodność (20%) i próba zatrzymania (20%)) były prezentowane losowo w ramach każdego bloku (projekt mieszany), każdy blok składał się ze 120 bodźców, a paradygmat składał się w sumie z czterech bloków. Po sfinalizowaniu zadania dane są przechowywane na dysku twardym komputera rejestrującego w celu późniejszego przesiewu offline i analizy ilościowej.

Results

Rysunek 1: Przykładowe paradygmaty eksperymentalne. (A) (Przykład 1) Zadanie flankujące: bodziec docelowy (grot strzałki w środku) jest otoczony dwiema sąsiednimi strzałkami (powyżej i poniżej celu) wskazującymi w tym samym (zgodnym) lub przeciwnym (niezgodnym) kierunku, rozważano również próby zatrzymania (okrąg w środku). Gdy cel jest skierowany w lewo lub w prawo, uczestnik musi nacisnąć przycisk...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Wzmacniacz BrainAmp	Brain Products GmbH, Gilching, Niemcy		Ilość: 2
Oprogramowanie rejestratora BrainVision	Brain Products GmbH, Gilching, Niemcy		1 Licencja
Oprogramowanie do analizy BrainVision	Brain Products GmbH, Gilching, Niemcy		1 Licencja
światłowodowe i złącza USB	Brain Products GmbH, Gilching, Niemcy		Są one dostarczane z wyżej wymienionym wyposażeniem
Skrzynka wejściowa elektrod (64 kanały)	Brain Products GmbH, Gilching, Niemcy		Ilość: 1
Żel do EEG	Natus Inc		Ilość: 1
Izopropylowy	Schülke & Mayr GmbH, Niemcy		Ilość: 1
Żel do przygotowania skóry	Weaver and Co, Stany Zjednoczone		Ilość: 1
MATLAB (MATLAB)	Math-Works, Natick, Massachusetts, Stany Zjednoczone		1 Licencja
Zestaw narzędzi FieldTrip	http://www.fieldtriptoolbox.org/		Otwarty kod źródłowy
System INOMED MER	INOMED Corp., Emmendingen, Niemcy		Ilość: 1
Makroelektrody (model 3387 czterobiegunowy przewód DBS)	Medtronic Inc., Minneapolis, MN, Stany Zjednoczone		Ilość: 2
Sterylne przezskórne przedłużacze (model 3550-05)	Medtronic Inc., Minneapolis, MN, Stany Zjednoczone		Ilość: 2
Linka zamka skrętnego (model 3550-03)	Medtronic Inc., Minneapolis, MN, Stany Zjednoczone		Ilość: 2
złącza na zamówienie do złączy DIN 428092 odpornych na dotyk			Ilość: 2
Zestaw przewodów pionowych DB -2201	Bostoński Naukowy		Ilość: 2
Zestaw przedłużający kontakt NM-3138	Bostoński Naukowy		Ilość: 2
operacyjny i przedłużacz SC-4100 A	Bostoński Naukowy		Ilość: 2
Złącze odporne na dotyk	Twente Medical Systems International B.V.		Ilość: 2
Tomograf komputerowy Modell PQ2000 (pooperacyjna tomografia komputerowa)	Philips Healthcare GmbH Hamburg		Ilość: 1
Oprogramowanie do prezentacji (zadanie Flanker)	Systemy neurobehawioralne Inc.		1 Licencja