Wykorzystanie sakadometrii z głęboką stymulacją mózgu do badania prawidłowych i patologicznych funkcji mózgu
14 lipca 2016
Ten artykuł opisuje wykorzystanie ilościowego pomiaru ruchów gałek ocznych w połączeniu ze stymulacją ogniskowych obszarów głębokiego mózgu w celu zbadania fizjologii, patofizjologii i mechanizmów głębokiej stymulacji mózgu.
Ogólnym celem tej procedury jest zmierzenie wpływu głębokiej stymulacji mózgu na sakkadowe ruchy gałek ocznych. Połączenie głębokiej stymulacji mózgu z pomiarem sakkad stanowi narzędzie do badania prawidłowych i patologicznych funkcji mózgu. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania dotyczące patofizjologii chorób związanych ze zwojami podstawy.
Główną zaletą tej techniki jest to, że jest ilościowa i precyzyjna, co pozwala na dokładne wykrycie subtelnych nieprawidłowości. Są to niektóre z rodzajów implantów stymulujących stosowanych w głębokiej stymulacji mózgu. Zawierają baterię i elektronikę do generowania małego bodźca elektrycznego.
Impulsy bodźcowe są dostarczane do precyzyjnych miejsc docelowych w mózgu za pomocą styków na końcu drutu, takiego jak ten. Rozpocznij od wyjaśnienia szczegółów badania i przekazania uczestnikowi formularza zgody do podpisania. Ustaw sakkadometr tak, aby dla każdej próby centralny cel fiksacji był wyświetlany przez losowy okres od 1,0 do 2,0 sekund, po czym był gaszony, a jeden z obwodowych czerwonych celów pojawiał się losowo po prawej lub lewej stronie.
Następnie poproś uczestnika, aby usiadł w odległości 1,5 metra od płaskiego matowego ekranu. Umieść sakkadometr na głowie uczestnika tak, aby spoczywał na grzbiecie nosa i zabezpiecz elastycznym regulowanym paskiem. Upewnij się, że oświetlenie otoczenia jest przyciemnione, aby bodźce były wyraźnie widoczne.
Następnie poinstruuj uczestnika, że 40-minutowa sesja testowa składa się z pięciu bloków z jednominutową przerwą między każdym blokiem. Przed pierwszym blokiem poinstruuj uczestnika, aby poruszał oczami tak szybko i dokładnie, jak to możliwe, aby podążać za czerwoną kropką skaczącą ze środka na jedną lub drugą stronę. Wyjaśnij, że muszą to zrobić 60 razy.
Ustaw sakkadometr tak, aby wygenerował sekwencję 60 prób, a następnie naciśnij przycisk na urządzeniu, aby rozpocząć pierwszy blok prób. Po zakończeniu pierwszego bloku odczekaj minutę przed rozpoczęciem drugiego bloku. Zresetuj sakkadometr, aby wygenerować sekwencję 40 prób.
Pod koniec jednominutowej przerwy poinstruuj uczestnika, aby jak najszybciej poruszał oczami w kierunku przeciwnym do czerwonej kropki. Poinformuj ich, że będą musieli to zrobić 40 razy. Następnie rozpocznij drugi blok prób.
Po zakończeniu drugiego bloku odczekaj minutę, a następnie powtórz instrukcje z drugiego bloku jeszcze dwa razy dla bloków trzeciego i czwartego. Na koniec, po ukończeniu czwartego bloku, odczekaj minutę, a następnie poinstruuj uczestników, aby poruszali oczami tak szybko i dokładnie, jak to możliwe, aby podążać za czerwoną kropką skaczącą ze środka na jedną stronę na drugą, dokładnie tak, jak zrobili to w pierwszym bloku. Zresetuj sakkadometr, aby wygenerować sekwencję 60 prób i rozpocznij ostatni blok prób.
Uwaga dla uczestników z głębokimi stymulatorami mózgu lub systemami DBS, przeprowadź testy sakkadowe dwa razy. Raz z systemem DBS działającym normalnie, a drugi raz z wyłączonym systemem DBS. Aby przeprowadzić sesję stymulacji poza testem, poproś przeszkolony personel kliniczny o wyłączenie systemu DBS na 30 minut przed badaniem.
Następnie wykonaj testy sakkadowe. Po zakończeniu sesji ponownie włącz system DBS. Aby przeanalizować dane, pobierz surowe dane z sakkadometru na komputer.
Następnie użyj oprogramowania sakkadometru, aby wykluczyć sakkady, które są zniekształcone przez mrugnięcia i ruchy głowy. Obliczaj zmienne, w tym opóźnienia sakkadowe, prędkości szczytowe i amplitudy. Tutaj wyniki opóźnienia prosakadowego są pokazane dla pacjenta z chorobą Parkinsona po przejściu DBS jądra podwzgórzowego, gdy DBS jest włączany i wyłączany.
Rozkład sakkad zmienia się, gdy stymulator jest włączony, co wykazuje zmniejszenie liczby sakkad o długim opóźnieniu i odpowiadający mu spadek średniego opóźnienia. Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w około 70 minut, jeśli jest wykonywana prawidłowo. Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać, aby upewnić się, że sakkadometr znajduje się centralnie na grzbiecie nosa, a światła w pomieszczeniu są przyciemnione.
Po tej procedurze można zastosować bardziej zaawansowane zadania sakkadowe, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania, takie jak to, w jaki sposób głęboka stymulacja mózgu wpływa na poznawczą kontrolę ruchów gałek ocznych. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak stosować psychodometrię u osób z głębokimi systemami stymulacyjnymi mózgu. Nie zapominaj, że praca z laserami może być niebezpieczna i powinieneś zadbać o to, aby zarówno uczestnicy, jak i eksperymentator nie patrzyli bezpośrednio w promienie laserowe.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie bada wpływ stymulacji głębokiej mózgu na szybsze ruchy oczu, dostarczając informacji zarówno o normalnych, jak i patologicznych funkcjach mózgu. Łącząc stymulację z precyzyjnymi technikami pomiaru, badania mają na celu zwiększenie rozumienia chorób związanych z jądrami podstawy.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauki
- Elektrofizjologia
- Patofizjologia
Tło
- Stymulację głęboką mózgu stosuje się jako technikę terapeutyczną w różnych zaburzeniach neurologicznych.
- Szybkie ruchy oczu są istotne dla percepcji wzrokowej.
- Zrozumienie interakcji między tymi dwoma aspektami może ujawnić ważne informacje fizjologiczne.
- Ta metoda pozwala na ilościowe i precyzyjne pomiary ruchów oczu.
Cel badania
- Zmierzyć wpływ stymulacji głębokiej mózgu na szybsze ruchy oczu.
- Zbadać patofizjologię chorób związanych z jądrami podstawy.
- Opracować precyzyjne narzędzie do badania funkcji mózgu.
Stosowane metody
- Ilościowe pomiary ruchów oczu.
- Stymulację określonych obszarów w głębokości mózgu.
- Zastosowanie różnych implantów stymulatorów generujących bodźce elektryczne.
- Połączenie technik stymulacji i pomiarów.
Główne wyniki
- Technika ta pozwala na dokładne wykrywanie subtelnych nieprawidłowości w ruchach oczu.
- Uzyskane wglądy mogą pomóc w zrozumieniu normalnych i patologicznych funkcji mózgu.
- Wyniki przyczyniają się do wiedzy o mechanizmach stymulacji głębokiej mózgu.
Wnioski
- Ta metoda jest cenna do badania fizjologii i patofizjologii mózgu.
- Przedstawia ramy dla przyszłych badań nad chorobami związanymi z jądrami podstawy.
- Analiza ilościowa poprawia rozumienie funkcji mózgu.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Quantitative measurement of saccadic eye movements provides a translational biomarker for basal ganglia-related neurodegenerative diseases, enabling objective assessment of disease progression and therapeutic intervention effects. This approach supports mechanistic de-risking in target validation by linking deep brain stimulation outcomes to functional oculomotor readouts, improving predictive confidence in preclinical and early clinical decision-making. The method enhances portfolio relevance by offering a cross-functional, reproducible readout applicable across Parkinson's, Huntington's, and other basal ganglia disorders.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by quantifying how basal ganglia perturbation affects saccadic latency and velocity.
- Operational Value: Provides a precise, quantitative readout for functional target validation in disease-relevant neural circuits.
- Predictive Value: Supports mechanistic de-risking by correlating stimulation parameters with eye movement biomarkers, reducing ambiguity in pathway engagement.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Generates standardized, reproducible measurements of saccadic latency, peak velocity, and amplitude for compound or intervention screening.
- Quantitative Output: Enables detection of subtle abnormalities in eye movement distributions, supporting assay sensitivity for early efficacy signals.
- Platform Scalability: Supports repeated testing sessions (on/off stimulation) to assess consistency and reliability across experimental conditions.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Directly models pathophysiological features of Parkinson's disease, such as increased saccadic latency, in a quantifiable manner.
- Translational Continuity: Bridges discovery and preclinical validation by providing a biomarker translatable from animal models to human studies.
- Risk-Adjusted Advancement: Informs go/no-go decisions by quantifying functional recovery or deterioration following neuromodulation.
Pipeline & Workflow Integration
This method fits within the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical evaluation, offering a functional biomarker that tracks modulation of basal ganglia circuitry.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by measuring how deep brain stimulation alters saccadic parameters, clarifying circuit-level pathophysiology.
- Screening: Delivers assay-ready, quantitative outputs (latency, velocity, amplitude) that enable reliable comparison across stimulation states or genetic models.
- Analytics: Provides statistical distributions of saccadic metrics, facilitating group comparisons and effect size quantification for decision-making.
- Translational Research: Connects neuromodulation effects to clinically relevant oculomotor endpoints, supporting biomarker qualification efforts.
- Enterprise Reuse: Represents a reusable platform for assessing diverse neuromodulatory interventions across multiple basal ganglia targets.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by reducing mechanistic ambiguity in how neuromodulation affects brain function.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility through fixed trial structures, stimulus timing, and head-mounted tracking.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling early detection of ineffective targets, reducing late-stage failure risk.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization by quantifying target engagement and functional modulation in disease-relevant systems.
Implementation Considerations
- Requires expertise in oculomotor testing, neurostimulation systems, and clinical trial coordination for implanted device studies.
- Dependent on saccadometer hardware and software for stimulus delivery, eye tracking, and data exclusion of blink- or movement-artifacts.
- Necessitates cross-team standardization between neurology, neurosurgery, and research staff for consistent DBS on/off testing protocols.
- Involves adaptation considerations when applying to different model systems or saccadic task variants (e.g., prosaccade vs. antisaccade).
- Limited by participant availability, stimulator accessibility, and the need for controlled lighting and seating distance to ensure data quality.
