Name: Śródoperacyjne zadania behawioralne u obudzonych ludzi poddawanych operacji głębokiej stymulacji mózgu (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-01-06T16:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 4 s
Description: Poznaj metodę śródoperacyjnych zadań behawioralnych u obudzonych pacjentów podczas głębokiej stymulacji mózgu. Technika ta pozwala rejestrować aktywność neuronów STN podczas podejmowania decyzji ryzyko-nagroda.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

1. Rekrutacja i zgoda uczestników
<ol>
<li>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).</li>
<li>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.</li>
<li>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.</li>
<li>Jeśli uznano, że badany rozumie i zgadza się na udział w badaniu, podpisuje on/ona zatwierdzoną świadomą zgodę i zostaje włączony/a do badania.</li>
</ol>
2.	Trening behawioralny i konfiguracja aparatury
<ol>
<li>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).</li>
<li>Przenośny zestaw behawioralny zostaje dostarczony do sali szpitalnej pacjenta w noc poprzedzającą operację.</li>
<li>Zestaw ten jest wyposażony w dokładnie to samo zadanie behawioralne, które pacjent będzie musiał wykonać w dniu badania śródoperacyjnego.
<ol>
<li>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.</li>
<li>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.</li>
<li>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.</li>
</ol></li>
<li>Pacjent może grać w grę do momentu, aż w pełni zrozumie jej zasady i osiągnie satysfakcjonujący poziom wykonania.</li>
</ol>
3. Śródoperacyjny - Układ eksperymentalny
<ol>
<li>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.</li>
<li>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.
<ol>
<li>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.</li>
<li>Przymocuj monitor do stołu operacyjnego w wygodnej pozycji widoczności, używając odpowiedniego adaptera.</li>
<li>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.</li>
<li>Uruchom system behawioralny i upewnij się, że markery zdarzeń behawioralnych są rejestrowane przez zestaw akwizycyjny.</li>
<li>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.</li>
<li>Jeśli wszystkie połączenia są sprawne, zatrzymaj zadanie behawioralne i zestaw akwizycyjny.</li>
</ol></li></ol>
4. Izolacja neuronów jądra podwzgórzowego
<ol>
<li>Celem operacji jest umieszczenie chronicznych elektrod DBS w obszarze motorycznym STN. Pozycjonowanie to jest realizowane poprzez połączenie obrazowania stereotaktycznego i rejestracji neurofizjologicznych.</li>
<li>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.</li>
<li>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.</li>
<li>W zestawie do przetwarzania sygnałów włącza się wzmacniacze i ocenia sygnał zewnątrzkomórkowy. Dodatkowo, przed dalszym wprowadzaniem do mózgu, sprawdza się impedancję każdej elektrody.</li>
<li>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.</li>
<li>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.</li>
</ol>
5. Pozyskiwanie danych
<ol>
<li>Przed rozpoczęciem zadania behawioralnego należy udokumentować głębokość wprowadzenia mikroelektrod oraz reaktywność motoryczną izolowanego neuronu lub neuronów.</li>
<li>Następnie informuje się badanego o rozpoczęciu zadania. Należy upewnić się, że panel z przyciskami jest nadal wygodnie rozmieszczony, a monitor jest w pełni widoczny.</li>
<li>Należy uruchomić akwizycję danych i zarejestrować aktywność bazową przez co najmniej 1 minutę przed rozpoczęciem zadania behawioralnego.</li>
<li>W trakcie wykonywania zadania przez badanego ważne jest monitorowanie rejestrowanych danych. W przypadku jakichkolwiek zakłóceń w akwizycji należy przerwać zadanie i usunąć problem.</li>
<li>W niniejszym badaniu badany jest proszony o wykonanie 120 prób dla każdej głębokości w STN.</li>
<li>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.</li>
<li>Po zakończeniu badania dane są kopiowane zapasowo i archiwizowane do późniejszej analizy.</li>
</ol>
6. Analiza danych
<ol>
<li>W pierwszej kolejności sygnały neuronalne są rozdzielane na indywidualne znaczniki czasowe impulsów (spike timestamps) przy użyciu dostępnego komercyjnie oprogramowania.</li>
<li>Następnie analizowane są kody zadań behawioralnych, a znaczniki czasowe aktywności neuronalnej są synchronizowane za pomocą skryptu napisanego w programie Matlab.</li>
</ol>
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.
 <img src="/files/ftp_upload/2156/2156fig1.jpg" alt="Wykres rastrowy aktywacji neuronalnej i histogram przedstawiający zdarzenia w poszczególnych próbach w zadaniu podejmowania decyzji." data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rysunek 1"> 
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.

<ol><li>Benabid, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combined+%28thalamotomy+and+stimulation%29+stereotactic+surgery+of+the+VIM+thalamic+nucleus+for+bilateral+Parkinson+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Combined (thalamotomy and stimulation) stereotactic surgery of the VIM thalamic nucleus for bilateral Parkinson disease.</a> Appl. Neurophysiol. 50 (1-6), 344-344 (1987).</li>
<li>Deuschl, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+randomized+trial+of+deep-brain+stimulation+for+Parkinson%27s+disease%5BTitle%5D)+AND+%22N.+Engl.+J.+Med%22%5BJournal%5D)">A randomized trial of deep-brain stimulation for Parkinson's disease.</a> N. Engl. J. Med. 355 (9), 896-896 (2006).</li>
<li>Gale, J. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+symphony+to+cacophony%3A+Pathophysiology+of+the+human+basal+ganglia+in+Parkinson+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Neurosci.+Biobehav.+Rev%22%5BJournal%5D)">From symphony to cacophony: Pathophysiology of the human basal ganglia in Parkinson disease.</a> Neurosci. Biobehav. Rev. , (2007).</li>
<li>Williams, Z. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Human+anterior+cingulate+neurons+and+the+integration+of+monetary+reward+with+motor+responses%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Human anterior cingulate neurons and the integration of monetary reward with motor responses.</a> Nat. Neurosci. 7 (12), 1370-1370 (2004).</li>
<li>Zaghloul, K. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Human+substantia+nigra+neurons+encode+unexpected+financial+rewards%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Human substantia nigra neurons encode unexpected financial rewards.</a> Science. 323 (5920), 1496-1496 (2009).</li>
</ol>

Nie zgłoszono konfliktów interesów.

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...

<table><tbody><tr><td>&lt;strong&gt;Układ behawioralny&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>PC z podwójnym wyjściem wideo</td><td>Dell</td><td>Optiplex 745</td><td></td></tr><tr><td>Karty cyfrowe</td><td>National Instruments</td><td>PCI-6229</td><td></td></tr><tr><td>Płyta z złączami</td><td>National Instruments</td><td>BNC-2090a</td><td></td></tr><tr><td>Oprogramowanie</td><td>Mathworks</td><td>Matlab 2007b***</td><td></td></tr><tr><td>Oprogramowanie behawioralne</td><td>Eskandar Lab</td><td>&lt;a href=&quot;http://www.Monkeylogic.net">www.Monkeylogic.net&lt;/a&gt;</td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;Układ akwizycyjny&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>PC</td><td>Dell</td><td>Optiplex 745</td><td></td></tr><tr><td>Karty cyfrowe</td><td>Cambridge Electronic Design</td><td>Power 1401</td><td></td></tr><tr><td>Oprogramowanie</td><td>Cambridge Electronic Design</td><td>Spike2</td><td></td></tr><tr><td>Przetwarzanie sygnałów</td><td>Alpha-Omega Engineering*</td><td>Micro-Guide Pro</td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;Analiza&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Postprocessing sygnału neuronalnego</td><td>Plexon</td><td>Offline Sorter</td><td></td></tr><tr><td>Oprogramowanie</td><td>Mathworks</td><td>Matlab 2007b</td><td></td></tr><tr><td>Panel przycisków</td><td>Patrz: &amp;rsquo;Montaż przycisków&amp;rsquo;</td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;p class=&quot;jove_content">*Oznacza, że element ten może zostać zastąpiony porównywalnym sprzętem lub oprogramowaniem;&lt;br/&gt;** Oznacza, że można zastosować zamienne komponenty National Instruments (informacje o kompatybilności dostępne na &lt;a href=&quot;http://www.Monkeylogic.net">www.Monkeylogic.net&lt;/a&gt;);&lt;br/&gt;*** Informacje o wymaganych konkretnych toolboxach Matlab dostępne na &lt;a href=&quot;http://www.Monkeylogic.net">www.Monkeylogic.net&lt;/a&gt;.&lt;/p&gt;</td></tr></tbody></table>

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

Intra-Operative Behavioral Tasks in Awake Humans Undergoing Deep Brain Stimulation Surgery

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.

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.

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

Głęboka stymulacja mózgu (DBS) jest procedurą chirurgiczną, która polega na kierowaniu chronicznej, wysokoczęstotliwościowej stymulacji elektrycznej do konkretnych obszarów docelowych w mózgu za pomocą...

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.

intra-operative-behavioral-tasks-awake-humans-undergoing-deep-brain

Research

JoVE Journal

Medicine

Medycyna

Zadania behawioralne w trakcie operacji u czujnych ludzi przechodzących leczenie za pomocą głębokiej stymulacji mózgu

Źródło: Selvakumar, T., et al., Analiza zmian ekspresji genów w hipokampie szczura po głębokiej stymulacji mózgu przedniego jądra wzgórza. J. Vis. Exp. (2015)Ten film pokazuje procedurę wszczepiania elektrod do mózgu szczura w celu zastosowania głębokiej stymulacji mózgu (DBS), która moduluje aktywność neuronalną i poprawia komunikację z hipokampem, wspierając przeżycie neuronów i neurogenezę.

Wpływ głębokiej stymulacji mózgu na aktywność neuronalną hipokampa w modelu szczurzym

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.

Rejestrowanie aktywności neuronalnej kory mózgowej i podkorowej za pomocą systemów elektrod

Ten protokół opisuje standardową metodę jednoczesnego funkcjonalnego obrazowania metodą rezonansu magnetycznego i głębokiej stymulacji mózgu u gryzonia. Połączone wykorzystanie tych narzędzi eksperymentalnych pozwala na badanie globalnej aktywności w odpowiedzi na stymulację elektryczną w praktycznie każdym miejscu w mózgu.

Głęboka stymulacja mózgu z jednoczesnym fMRI u gryzoni

Pacjenci z wszczepionymi elektrodami wewnątrzczaszkowymi dają unikalną możliwość rejestrowania danych neurologicznych z wielu obszarów mózgu, podczas gdy pacjent wykonuje zadania behawioralne.  W tym miejscu przedstawiamy metodę rejestracji pacjentów z implantami, która może być odtwarzalna w innych placówkach mających dostęp do tej populacji pacjentów.

Wykonywanie zadań behawioralnych u osób z elektrodami wewnątrzczaszkowymi

Mechanizm leżący u podstaw terapeutycznych efektów operacji Głębokiej Stymulacji Mózgu (DBS) wymaga zbadania. Metody przedstawione w tym manuskrypcie opisują eksperymentalne podejście do badania zdarzeń komórkowych wywoływanych przez DBS poprzez analizę profilu ekspresji genów kandydujących, które mogą ułatwić neurogenezę po operacji DBS.

Analiza zmian ekspresji genów w hipokampie szczura po głębokiej stymulacji mózgu przedniego jądra wzgórza

Stereotaktyczna elektroencefalografia (SEEG) jest techniką operacyjną stosowaną w chirurgii epilepsji, która pomaga zlokalizować ogniska napadów. Jest to również wyjątkowa okazja do zbadania funkcji mózgu. Tutaj opisujemy, w jaki sposób SEEG może być wykorzystany do badania procesów poznawczych u ludzi.

Badanie funkcji głębokich struktur korowych i podkorowych za pomocą elektroencefalografii stereotaktycznej: lekcje z przedniej kory obręczy

Ten artykuł opisuje dostarczanie wewnątrzczaszkowej stymulacji elektrycznej, która jest czasowo i przestrzennie oddzielona od środowiska używania narkotyków w leczeniu uzależnienia od metamfetaminy dożylnie.

Ogólna metoda oceny wpływu głębokiej stymulacji mózgu na samodzielne podawanie metamfetaminy dożylnie

Niniejszy protokół ma na celu ocenę funkcji poznawczo-emocjonalnych w zwojach podstawy poprzez jednoczesny neurofizjologiczny zapis lokalnych potencjałów pola i nieinwazyjną aktywność kory mózgowej (EEG). Przykładem procedury jest zastosowanie paradygmatów obejmujących bodźce mowy o konotacji emocjonalnej lub zadania Flankera polegającego na kontroli poznawczej.

Połączone inwazyjne podkorowe i nieinwazyjne powierzchniowe zapisy neurofizjologiczne do oceny funkcji poznawczych i emocjonalnych u ludzi

Ten artykuł zawiera przegląd multimodalnego programu mapowania mózgu, zaprojektowanego do identyfikacji obszarów mózgu, które wspierają kluczowe funkcje poznawcze u poszczególnych pacjentów neurochirurgicznych.

Translacyjne mapowanie mózgu w Centrum Medycznym Uniwersytetu Rochester: Ochrona umysłu poprzez spersonalizowane mapowanie mózgu

Opisujemy przedkliniczną eksperymentalną metodę oceny neuromodulacji metabolicznej wywołanej przez ostrą głęboką stymulację mózgu za pomocą in vivo FDG-PET. Manuskrypt ten obejmuje wszystkie etapy eksperymentalne, od chirurgii stereotaktycznej po zastosowanie leczenia stymulacją oraz pozyskiwanie, przetwarzanie i analizę obrazów PET.

In vivo (in vivo) Pozytonowa tomografia emisyjna w celu ujawnienia wzorców aktywności wywołanych głęboką stymulacją mózgu u szczurów

Poznaj metodę śródoperacyjnych zadań behawioralnych u obudzonych pacjentów podczas głębokiej stymulacji mózgu. Technika ta pozwala rejestrować aktywność neuronów STN podczas podejmowania decyzji ryzyko-nagroda.

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

Przeglądaj więcej filmów