Registro da atividade neuronal cortical e subcortical usando sistemas de eletrodos

Resumo

Fonte: Trenado, C., et al. Gravações neurofisiológicas de superfície subcorticais e não invasivas invasivas combinadas para a avaliação das funções cognitivas e emocionais em humanos. J. Vis. Exp. (2016).

Este vídeo demonstra o processo de registro da atividade neuronal cortical e subcortical usando eletroencefalografia (EEG) e eletrodos de estimulação cerebral profunda (DBS) durante um teste de estimulação visual baseado em atenção.

Protocolo

Todos os procedimentos envolvendo participantes humanos foram realizados em conformidade com as diretrizes institucionais, nacionais e internacionais para o bem-estar humano e foram revisados pelo conselho de revisão institucional local.

1. Desenho de Paradigma Experimental e Consentimento do Paciente

NOTA: Projete um paradigma experimental ou selecione um paradigma experimental existente para atingir um aspecto cognitivo/emocional de interesse.

1. Selecione os pacientes que serão submetidos ao tratamento DBS. Pergunte se o paciente atende aos critérios de inclusão do estudo. Em caso afirmativo, obter o consentimento informado assinado do paciente e/ou comissão de ética (se aplicável) para realizar o registro pós-operatório e aplicação do respectivo paradigma cognitivo.
   nota: O registro pós-operatório ocorre no dia seguinte após a realização de uma cirurgia inicial de DBS para implantação de eletrodos DBS (juntamente com sua correspondente externalização da cabeça por meio de cabos especiais) e antes de uma segunda cirurgia ser realizada para implantação permanente de eletrodos e estimuladores DBS.
   1. Na tarefa de Flanker (Exemplo 1), obtenha o consentimento informado assinado de um paciente com distúrbio do movimento (por exemplo, doença de Huntington ou Parkinson) para realizar um registro pós-operatório. O objetivo do experimento de Flanker é testar a capacidade do paciente de se adaptar ao comportamento de erro e determinar como essa adaptação se reflete na atividade oscilatória cerebral nos níveis cortical e subcortical.
      NOTA: A escolha de um paciente é ditada pelo mecanismo cognitivo a ser abordado e pelo distúrbio do paciente. No exemplo de caso DBS-DOC (Exemplo 2), foi selecionada uma paciente do sexo feminino DOC que sofreu um traumatismo craniano aos 38 anos. Devido à condição do paciente limitar o consentimento informado, o tratamento DBS e a participação experimental foram aprovados exclusivamente pela comissão de ética local. O principal objetivo do registro pós-operatório do DOC foi determinar se a função cerebral em relação ao processamento cognitivo-emocional ainda estava intacta em um paciente com um distúrbio de consciência tão grave.
2. Escolha entre o tipo de estímulo a ser apresentado (auditivo, visual). Identifique a ordem de apresentação do estímulo (bloco ou desenho misto). Selecione a duração do estímulo, o intervalo entre estímulos (ISI) e o número de tentativas.
   1. Como um exemplo prático, execute a tarefa Flanker (Exemplo 1, Figura 1A), para examinar a capacidade de adaptar o comportamento em resposta ao comprometimento de erros de resposta. Esta tarefa consiste em estímulos visuais (pontas de flechas flanqueadas dispostas verticalmente).
   2. Flanqueie o estímulo alvo (ponta de seta no centro) por duas setas adjacentes (acima e abaixo do alvo) apontando na mesma direção (compatível) ou oposta (incompatível). Além disso, considere parar os testes (círculo no centro).
   3. Apresente o alvo à esquerda ou à direita e peça ao participante para pressionar um botão de resposta com o polegar esquerdo ou direito. Nas tentativas de parada, instrua os participantes a não responder. Flanqueadores presentes 200 ms antes do alvo. Exiba o alvo para 300 ms e defina o intervalo de estímulo de resposta para 2.000 ms (o tempo decorrido é indicado por um tom de sinalização). Apresente um total de quatro blocos de 120 estímulos cada nesta tarefa. Apresentar estímulos compatíveis (60%), incompatíveis (20%) e stop-trial (20%) aleatoriamente.
      nota: Esse valor do intervalo de estímulo foi escolhido para evitar um grande número de tentativas perdidas ao considerar pacientes com deficiência motora. Os flankers e os alvos foram desligados simultaneamente, e os pacientes foram instruídos a responder o mais rápido possível.
      nota: No exemplo de caso DBS-DOC (Exemplo 2, Figura 1B), o paradigma experimental consistia em estímulos de fala neutros sem endereçamento e endereçamento familiar26 em um design de bloco. A duração do estímulo foi definida em 4 segundos (com um intervalo entre estímulos randomizado de 4 a 5 segundos). Um total de 80 ensaios por condição foram considerados neste paradigma (Figura 1B).
3. Visualize as restrições e necessidades físicas do paciente em um registro de ambiente pós-operatório. Especificamente, determine se o paciente é capaz de fazer uso do teclado do computador considerando a presença de movimentos excessivos de coreia (doença de Huntington) ou tremores (doença de Parkinson).
   1. Certifique-se de que o paciente possa ver o monitor (pois o anestésico local ou a estrutura estereotáxica da cabeça aplicada durante a cirurgia DBS pode ter causado inchaço no rosto e ao redor dos olhos) e sentar-se confortavelmente durante todo o experimento. Não realize o experimento se o paciente não atender a essas condições.

2. Configuração para gravações subcorticais pós-operatórias (potenciais de campo local ou LFPs) e de superfície (EEG)

1. Instale o equipamento de EEG (ver Materiais nos arquivos suplementares) na sala onde o experimento será realizado. Conecte o computador de gravação ao sistema de EEG. Inicie o software de gravação de EEG (consulte "materiais" nos arquivos suplementares).
2. Clique em "Arquivo" e depois em "Novo espaço de trabalho" para definir o espaço de trabalho no software de gravação de EEG, especificando: uma frequência de amostragem de 5 kHz, uma frequência de corte baixa (DC) e alta frequência de corte (1.000 Hz), canais de EEG de acordo com o sistema internacional 10/20 (pelo menos: fronto-central (Fz), centro-central (Cz), referência fronto-polar (Fpz) e terra (mastóide) e dependendo do paradigma além parieto-central (Pz), canais occipito-central (Oz), temporal (T3/T4), fronto-medial (F3/F4), fronto-lateral (F7/F8) (Figura 2D) e LFP (LFPL 0, LFPL1, LFPL2, LFPL3 (hemisfério esquerdo, Figura 2C); LFPR0, LFPR1, LFPR2 e LFPR3 (hemisfério direito)). Clique em "Monitorar" para verificar se os canais especificados estão configurados para gravação.
   nota: O espaço de trabalho deve ser preparado com antecedência para minimizar o tempo do experimento e supervisionar alterações inesperadas na configuração da gravação. Isso garantirá a mais alta resolução temporal, configurações de filtro corretas, taxa de amostragem adequada e seleção adequada de canais de interesse.
3. Configure o computador de estímulo conectando a porta paralela ao sistema de EEG. Inicie o software de estímulo. Clique em "executar" para verificar a funcionalidade do paradigma no monitor do computador (estímulos visuais) e/ou alto-falantes (estímulos auditivos, pistas sonoras). Certifique-se de que os marcadores (gatilhos) do computador de estímulo sejam lidos no sistema de registro durante a apresentação dos estímulos e a resposta do sujeito, verificando sua aparência no software de registro de EEG.
   nota: Os gatilhos dos dispositivos de estímulo devem ter uma duração de pelo menos 200 μs para serem detectados pelo sistema de EEG (com a taxa de amostragem de 5 kHz). Como os gatilhos são marcadores de eventos relacionados a eventos ou atividades relacionadas a evocados que ocorrem em um período de tempo especificado, sua função é crucial para a análise posterior dos dados. No exemplo de caso DBS-DOC (Exemplo 2), o paradigma experimental (Figura 1B) consistiu em estímulos auditivos (vozes familiares e desconhecidas), de modo que os gatilhos foram configurados no início e no final de cada estímulo apresentado. No caso da tarefa Flanker (Figura 1A), os gatilhos foram configurados no instante em que 1) os flankers e os estímulos alvo apareceram, 2) o paciente respondeu e 3) um tom de sugestão foi ouvido para informar ao paciente que o tempo de resposta havia decorrido.
4. Marque o vértice da cabeça do paciente como o ponto médio entre o násio e o ínion usando uma caneta marcadora de pele e seguindo o conselho de um neurologista experiente ou especialista em EEG. Além disso, marque as posições escolhidas dos eletrodos de EEG usando o sistema 10-20. Prenda os eletrodos de superfície do EEG ao couro cabeludo limpando primeiro cada local selecionado com uma compressa de álcool isopropílico e, em seguida, usando uma pasta abrasiva.
   nota: Tais ações são limitadas pela colocação de bandagens na cabeça do paciente com DBS. No entanto, um neurologista experiente deve ser capaz de definir uma localização apropriada (aproximada) para cada eletrodo/canal. Para garantir o contato adequado, mova o cabelo para fora do caminho (se aplicável). Devido à sua facilidade de colocação, eletrodos autoadesivos fixados por fita cirúrgica podem ser usados.
5. Conecte eletrodos DBS externalizados a uma extensão percutânea. Conecte a extensão percutânea ao conector do cabo externo. Conecte cada eletrodo fornecido pelo conector do cabo externo à caixa de controle do EEG de acordo com a configuração de gravação do EEG. Conecte os eletrodos do couro cabeludo do EEG à caixa de controle do EEG conectando primeiro o aterramento e a referência.
6. Prenda eletrodos EMG (eletrodos de referência e ativos) em músculos especificados, limpando primeiro a área com uma almofada de álcool isopropílico. Em seguida, conecte os eletrodos EMG à caixa de controle do EEG.
   nota: Essa etapa é opcional e realizada principalmente quando as tarefas motoras são consideradas no paradigma ou quando é necessário monitorar a atividade dos músculos, como no caso de pacientes com distúrbios motores.
7. Clique em "Monitorar" para visualizar os dados. Certifique-se de que os sinais de EEG e EMG exibidos no monitor estejam livres de artefatos, detectando a presença de tremores e componentes de alta frequência sobrepostos. Verifique as orientações sobre os tipos de artefatos e outros fatores relacionados ao registro de sinais eletroencefalográficos35 e/ou solicite orientação técnica de um neurologista ou neurocientista experiente até se familiarizar com o tipo de distúrbios presentes em tais registros fisiológicos.
   nota: Esta etapa é importante para garantir sinais de alta qualidade para análise de dados off-line.

3. Registro da atividade cerebral subcortical (LFPs) e de superfície (EEG) pós-operatória

1. Forneça instruções ao paciente. Certifique-se de que o paciente esteja confortável e instrua-o a interromper o experimento a qualquer momento de desconforto.
2. Clique em "executar" no software de estímulo para que o paciente possa ver o paradigma no monitor e/ou ouvir os tons e sons das sugestões. Realize uma sessão de treinamento com o paciente até que ele se sinta confortável com a tarefa. Inicie o registro simultâneo da atividade cerebral subcortical (LFP) e cortical (EEG) enquanto o paciente realiza a tarefa experimental.
   nota: No caso do exemplo de caso DBS-DOC (Exemplo 2), o paradigma consistiu em estímulos auditivos em um desenho de blocos, conforme descrito na (Figura 1B). No caso da tarefa de Flanker (Figura 1A), estímulos visuais correspondentes a três condições (compatível (60%), incompatível (20%) e stop-trial (20%)) foram apresentados aleatoriamente dentro de cada bloco (delineamento misto), cada bloco consistiu em 120 estímulos e o paradigma consistiu em um total de quatro blocos. Após a finalização da tarefa, os dados são armazenados no disco rígido do computador de gravação para posterior triagem offline e análise quantitativa.

Resultados

Figura 1: Exemplos de paradigmas experimentais. (A) (Exemplo 1) Tarefa de flanqueador: o estímulo alvo (ponta de seta no centro) é flanqueado por duas setas adjacentes (acima e abaixo do alvo) apontando na mesma direção (compatível) ou oposta (incompatível), tentativas de parada (círculo no centro) também foram consideradas. Quando o alvo é apontado para a esquerda ou para a direita, um participante ...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Amplificador BrainAmp	Brain Products GmbH, Gilching Alemanha		Quantidade: 2
Software Gravador BrainVision	Brain Products GmbH, Gilching Alemanha		1 Licença
Software BrainVision Analyzer	Brain Products GmbH, Gilching Alemanha		1 Licença
Cabos de fibra óptica e conectores USB	Brain Products GmbH, Gilching Alemanha		Estes vêm com o equipamento listado acima
Caixa de entrada de eletrodo (64 canais)	Brain Products GmbH, Gilching Alemanha		Quantidade: 1
gel para EEG	Natus Inc		Quantidade: 1
Álcool isopropílico	Schülke & Mayr GmbH, Alemanha		Quantidade: 1
Gel de preparação de pele	Weaver and Co, EUA		Quantidade: 1
LABORATÓRIO MATLAB	Math-Works, Natick, Massachusetts, EUA		1 Licença
Caixa de ferramentas FieldTrip	http://www.fieldtriptoolbox.org/		código aberto
Sistema MER CANCELADO	INOMED Corp., Emmendingen, Alemanha		Quantidade: 1
Macroeletrodos (eletrodo DBS quadripolar modelo 3387)	Medtronic Inc., Minneapolis, MN, EUA		Quantidade: 2
Fios de extensão percutânea estéreis (modelo 3550-05)	Medtronic Inc., Minneapolis, MN, EUA		Quantidade: 2
Cabo de trava de torção (modelo 3550-03)	Medtronic Inc., Minneapolis, MN, EUA		Quantidade: 2
conectores feitos sob medida para conectores à prova de toque DIN 428092			Quantidade: 2
Kit de chumbo Vercise DB -2201	Boston Científico		Quantidade: 2
Kit de extensão de contato NM-3138	Boston Científico		Quantidade: 2
O.R. cabel & extensão SC-4100 A	Boston Científico		Quantidade: 2
conector à prova de toque	Twente Medical Systems International B.V.		Quantidade: 2
Tomógrafo computadorizado Modell PQ2000 (tomografia computadorizada pós-operatória)	Philips Healthcare GmbH Hamburgo		Quantidade: 1
Software de apresentação (Flanker Task)	Sistemas neurocomportamentais Inc.		1 Licença