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

Operacja głębokiej stymulacji mózgu daje możliwość zbadania informacji i kodowania w przebudzonym ludzkim mózgu poprzez rejestrację mikroelektrodową u pacjenta wykonującego zadania behawioralne. W tym przykładzie osoby badane są najpierw szkolone w grze w proste karty komputerowe, w której występują elementy ryzyka i nagrody. Następnie pacjent jest przygotowywany do zabiegu głębokiej stymulacji mózgu, a mikroelektrody są wprowadzane do docelowego obszaru mózgu.

W tym przypadku sygnały neuronalne z STN są rejestrowane podczas powtarzania przez badanego gry w karty. Zebrane dane wykazują rolę ryzyka i nagrody w kodowaniu neuronalnym w STN.

Choć cele eksperymentu mogą się różnić w zależności od jądra skierowanego na zabieg chirurgiczny. Początkowo DVS stosowano głównie w zaburzeniach ruchowych, takich jak drżenie samoistne, choroba Parkinsona i dystonia. W ostatnim czasie jest on wykorzystywany do badania metod leczenia depresji oraz zaburzeń obsesyjno-kompulsyjnych.

Zadanie to posiada zarówno komponent motoryczny, jak i zależny od nagrody; rejestrowaliśmy sygnały w jądrze podwzgórzowym, które znajduje się na styku układów motorycznych i limbicznych mózgu. Pacjentka jest 62-letnią kobietą. Jest bardzo miła.

Choruje na chorobę Parkinsona od około 10 lat. Wykazuje klasyczne objawy tej choroby: drżenie, sztywność oraz spowolnienie ruchowe. Początkowo dobrze reagowała na leki, co jest dobrym prognostykiem, ponieważ potwierdza, że jest to rzeczywista choroba Parkinsona.

Jednak, jak to często bywa, z czasem leki stają się mniej skuteczne. W zasadzie pacjentki stają się niestabilne, przez co po odstawieniu leków występują u nich bardzo ciężkie objawy choroby Parkinsona. Pojawiają się drżenia, sztywność oraz spowolnienie ruchowe.

A następnie, gdy przyjmuje leki, pojawia się inny rodzaj zaburzeń ruchowych zwany dyskinezą, polegający na nadmiernych ruchach, przez co znika optymalny stan pośredni. To właśnie moment, w którym operacja staje się użyteczną interwencją, ponieważ pozwala ona wyeliminować te głębokie wahania typu „on-off” i stabilizuje stan pacjenta. W zasadzie pozwala im to osiągnąć najlepszą możliwą formę, jaką mogliby uzyskać przy stosowaniu leków.

To jest cel zabiegu. Podczas samej operacji celujemy w dwie części mózgu, które są potencjalnie dostępne. Jedną z nich jest jądro niskie.

To wszystko, co zrobiliśmy dzisiaj. Jeden z nich nazywa się globus palus internist. Oba są w przybliżeniu równie skuteczne.

Sposób, w jaki je namierzamy, polega na zastosowaniu kombinacji różnych metod. Robimy to stereotaktycznie, wykorzystując CT i MRI. Namierzamy je również w oparciu o fizjologię, przeprowadzając rejestracje mikroelektrodowe.

Są one bardzo ważne, ponieważ informują nas, z bardzo wysoką rozdzielczością przestrzenną, o granicach jądra, jego górnych i dolnych granicach, a ponadto pozwalają upewnić się, że znajdujemy się w części ruchowej jądra. Następnie, po wprowadzeniu elektrody permanentnej, ponownie przeprowadzamy stymulację, aby potwierdzić, że jesteśmy we właściwym miejscu. Wszystkie te czynności i tak wykonujemy w ramach leczenia pacjenta.

Ponieważ i tak wykonujemy rejestracje mikroelektrodowe, daje nam to okno czasowe w momencie, gdy mikroelektrody są już na miejscu. Jest to rzadka okazja do badania aktywności neuronalnej w ludzkim mózgu, czego w innym przypadku nigdy nie udałoby się zrobić. Skoro jednak i tak to robimy i elektrody są już wprowadzone, poświęcamy dodatkowe 20 do 30 minut na przeprowadzenie eksperymentów, które nas interesują.

Zazwyczaj są to eksperymenty związane z kontrolą motoryczną, podejmowaniem decyzji, uczeniem się lub motywacją i tego rodzaju zagadnieniami. Prawie wszystkie z nich wykorzystują ekran wideo oraz proste zadanie wykonywane przez badanego, takie jak poruszanie dżojstikiem lub naciskanie przycisku. Podczas operacji DBS rutynowo przeprowadza się rejestrację mikroelektrodową, co daje badaczom wyjątkową możliwość rejestrowania wzorców wyładowań poszczególnych neuronów w czasie, gdy badany wykonuje zadanie behawioralne.

W ramach zabiegu DBS w chorobie Parkinsona pacjenci są przyjmowani do szpitala na jeden dzień przed operacją. Stwarza to możliwość przeszkolenia pacjenta w wykonaniu zadania behawioralnego przed zabiegiem. Okazuje się to niezwykle przydatne w przypadkach, gdy zadanie behawioralne jest wymagające poznawczo.

W dniu operacji dla badanego przygotowuje się przenośny zestaw do badań behawioralnych; w przypadku, gdy badany przeszedł trening w noc poprzedzającą zabieg, zestaw ten jest wyposażony w dokładnie to samo zadanie behawioralne, które badany musi wykonać w trakcie operacji. W niniejszym przykładzie badany jest proszony o zagranie w grę kartową podobną do gry w wojnę. W grze tej badany stawia 20 lub 5 na to, czy jego karta jest wyższa od karty komputera.

Celem tego zadania jest ocena roli nagrody i ryzyka w kodowaniu neuronalnym w jądrze okulistycznym, aby ograniczyć liczbę potencjalnych kombinacji i wynikające z nich zmienne zakłócające. W każdej próbie używane są wyłącznie karty o numerach parzystych z jednego koloru. Badany widzi najpierw ekran przedstawiający losowo przydzieloną mu kartę oraz rewers nieznanej karty komputera.

Na ekranie pojawiają się następnie dwie opcje zakładu, 5 i 20, zależne od względnej wartości karty uczestnika. Uczestnik wskazuje wybrany zakład, naciskając przycisk, po czym na ekranie wyświetla się jego karta oraz odkryta karta komputera. Ostatni ekran w sposób jednoznaczny przedstawia kwotę wygranej lub przegranej.

Badany może grać w grę tak długo, aż w pełni zrozumie zasady i osiągnie komfortowy poziom wykonania zadań. Przejdźmy teraz do śródoperacyjnego przygotowania eksperymentalnego w dniu następującym po treningu. Po ułożeniu badanego na stole operacyjnym, należy wprowadzić do sali operacyjnej zestaw zawierający sprzęt do akwizycji danych behawioralnych i przetwarzania sygnałów.

Pozycjonowanie zestawu musi uwzględniać standardowy przebieg pracy oraz kwestie sterylności związane z warunkami panującymi na sali operacyjnej. Ponieważ komponenty tych zestawów są montowane i demontowane przed każdą sesją rejestracji, kluczowe jest sprawdzenie wszystkich połączeń sprzętowych. W związku z tym, podczas podłączania każdego komponentu do systemu akwizycji danych, należy najpierw zweryfikować spójność danych podczas pierwszego uruchomienia, a także sprawdzić sprzęt do akwizycji i przetwarzania sygnałów.

Podłącz wyjścia zestawu do przetwarzania sygnałów do wejść zestawu akwizycyjnego. W niniejszym badaniu rejestrowane są trzy kanały potencjałów czynnościowych pozakomórkowych, odpowiadające trzem elektrodom zorientowanym w kierunku paraag, które są wprowadzane do mózgu badanego obiektu podczas operacji. Włączaj wzmacniacze pojedynczo, aby upewnić się, że system akwizycyjny rejestruje sygnały.

Używając odpowiedniego adaptera, przymocuj monitor do stołu operacyjnego w wygodnej pozycji do obserwacji. Upewnij się, że dłoń badanego jest ustawiona w wygodnej pozycji, umożliwiającej obsługę urządzenia wejściowego używanego podczas zadania. Następnie uruchom system behawioralny i upewnij się, że markery zdarzeń behawioralnych są rejestrowane przez zestaw akwizycyjny.

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 do badań behawioralnych, przy skonfigurowanych i gotowych do uruchomienia eksperymentach. Zobaczmy teraz, w jaki sposób izoluje się chirurgicznie neurony STN.

Celami zabiegu chirurgicznego jest umieszczenie przewodów do przewlekłej DBS w obszarze motorycznym STN. Pozycjonowanie jest realizowane dzięki połączeniu obrazowania stereotaktycznego i zapisów neurofizjologicznych w Mass General Hospital. Zastosowano ramę stereotaktyczną oraz klatkę z markerami Cosman Roberts Wells, a następnie wykonano tomografię komputerową (CT) głowy.

Obraz CT z markerami fiducjalnymi jest scalany z wcześniej uzyskanym wolumetrycznym obrazem MRI mózgu w systemie neuronawigacji. Na sali operacyjnej pacjent jest ułożony wygodnie w pozycji półleżącej, a następnie przygotowany i obłożony zgodnie ze standardową techniką chirurgiczną. Współrzędne lewego STN są programowane w ramie stereotaktycznej, która zostaje umieszczona na pacjencie.

Chirurg naciná i odsuwa skórę. Wykonuje otwory trepanacyjne, a następnie tworzy niewielki otwór w oponie twardej. Kaniulę przymocowaną do mikronapędu ustawia się w odpowiedniej pozycji i wprowadza, aż jej końcówka znajdzie się 25 milimetrów nad celem.

Po wprowadzeniu kaniul do mózgu, wewnętrzne prowadnice zostają usunięte i zastąpione mikroelektrodami o wysokiej impedancji. Układy przetwarzania sygnałów oraz przedwzmacniacze zostają podłączone do każdej elektrody, a różnicowy kanał referencyjny do zewnętrznej kaniuli. W układzie przetwarzania sygnałów należy włączyć wzmacniacze i ocenić sygnał z przestrzeni zewnątrzkomórkowej.

Dodatkowo, przed dalszym wprowadzaniem każdej elektrody do mózgu, należy sprawdzić jej impedancję. Po zweryfikowaniu wszystkich parametrów chirurg powoli wprowadza elektrodę do mózgu, wykonując kroki o wielkości od 0,05 do 0,4 mm. Elektrody są wprowadzane, zaczynając od punktu oddalonego o 25 mm od wyznaczonego celu w kierunku S St N. Ta trajektoria sprawia, że elektroda przechodzi przez jądro CAU eight, wzgórze, zona Serta, a ostatecznie trafia do SDN.

Po wprowadzeniu elektrod do SDN fizjolog manipuluje przeciwstawnymi kończynami pacjenta, aby ustalić, czy sygnał neuronalny wykazuje reaktywność motoryczną. Gdy chirurg i eksperymentator uznają pozycję elektrod za odpowiednią, można rozpocząć zadanie behawioralne. Przed przystąpieniem do zadania behawioralnego należy udokumentować głębokość wprowadzenia mikroelektrod oraz reaktywność motoryczną wyizolowanego neuronu.

Następnie poinformuj badanego, że zadanie zostanie rozpoczęte. Upewnij się, że pulpit z przyciskami jest wciąż wygodnie ustawiony, a monitor w pełni widoczny. Rozpocznij akwizycję danych i zarejestruj aktywność bazową przez co najmniej jedną minutę przed rozpoczęciem zadania behawioralnego.

Podczas wykonywania zadania przez badanego ważne jest monitorowanie rejestrowanych danych. W przypadku jakichkolwiek zakłóceń w akwizycji należy przerwać zadanie i rozwiązać problem. Zadania można powtórzyć wielokrotnie dla każdej głębokości.

W przypadku STN rejestracja eksperymentalna jest jednak ograniczona do 30 minut, aby zapobiec dyskomfortowi pacjenta i nadmiernemu wydłużeniu operacji. Zacznijmy. Czy może pan/pani otwierać i zamykać dłoń, trzymając żarówkę?

Dobrze. Przesuniemy prawą stopę. Powtórz za mną. Uwielbiam budyń z tapioki.

Pojechałem pociągiem do Topeka w Kansas. Przedstawiono tutaj reprezentatywne wyniki z jednego neuronu STN zarejestrowanego podczas gry wojennej. RAs są przedstawione w odniesieniu do czterech istotnych behawioralnie epok w zadaniu: okresu fiksacji przed każdą prezentacją karty badanego, naciśnięcia przycisku wskazującego stawkę badanego oraz prezentacji karty komputera, przedstawione tutaj jako histogramy czasu bodźca.

Ten neuron nie reaguje w sposób wyraźny na prezentację karty badanego, lecz znacznie zwiększa częstotliwość wyładowań w momencie naciśnięcia przycisku. Aktywność ta trwa do chwili ujawnienia karty komputera, po czym częstotliwość wyładowań spada do poziomu bazowego. Technika ta pozwala na pomiar odpowiedzi poszczególnych neuronów w mózgu.

Metodę tę można również łączyć z innymi pomiarami aktywności neuronalnej, które badają odpowiedzi populacyjne, takimi jak funkcjonalny rezonans magnetyczny lub magnetoencefalografia. Po opanowaniu techniki, jej przygotowanie i wdrożenie na sali operacyjnej zajmuje 25 minut. Praca z ludźmi w warunkach bloku operacyjnego wiąże się z szeregiem ograniczeń, w tym z czasem zachowania sterylności, a przede wszystkim z dobrem pacjenta.

Należy zatem pamiętać o tych kwestiach podczas wszystkich faz badania.