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Artigo de método

Executar tarefas comportamentais em indivíduos com intracranianos Eletrodos

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DOI:

10.3791/51947

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2 de outubro de 2014

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1Department of Neurosciences, Cleveland Clinic Foundation, 2Epilepsy Center, Cleveland Clinic Foundation, 3Department of Neurosciences and Center for Neurological Restoration, Cleveland Clinic Foundation, 4Department of Biomedical Engineering, Johns Hopkins University

Neste artigo

Resumo

Os pacientes implantados com eletrodos intracranianos oferecem uma oportunidade única para gravar dados neurológicos de várias áreas do cérebro, enquanto o paciente realiza tarefas comportamentais. Aqui, apresentamos um método de gravação de pacientes implantados que podem ser reprodutível em outras instituições com acesso a esta população de pacientes.

Resumo

Pacientes com implantes de eletrodos estéreo-eletroencefalografia (EEG) do eletrodo, grade subdural ou profundidade tem uma infinidade de eletrodos implantados em diferentes áreas do seu cérebro para a localização de seu foco apreensão e áreas eloqüentes. Após a implantação, o paciente deve permanecer no hospital até a área patológica do cérebro é encontrada e possivelmente ressecado. Durante este tempo, esses pacientes oferecem uma oportunidade única para a comunidade de pesquisa, porque qualquer número de paradigmas comportamentais podem ser realizadas para descobrir o correlatos neurais que o comportamento guia. Aqui apresentamos um método para gravar a atividade cerebral de implantes intra-cranianas como sujeitos executar uma tarefa comportamental para avaliar a tomada de decisões e codificação recompensa. Todos os dados eletrofisiológicos dos eletrodos intracranianos são registrados durante a tarefa comportamental, permitindo o exame das muitas áreas do cérebro envolvidas em uma única função em escalas de tempo relevantes para o comportamento.Além disso, e ao contrário de estudos com animais, os pacientes humanos podem aprender uma grande variedade de tarefas comportamentais rapidamente, permitindo a capacidade de executar mais de uma tarefa no mesmo assunto ou para controles de desempenho. Apesar das muitas vantagens desta técnica para compreender o funcionamento do cérebro humano, há também limitações metodológicas que discutimos, incluindo fatores ambientais, efeitos analgésicos, limitações de tempo e gravações de tecido doente. Este método pode ser facilmente implementado por qualquer instituição que realiza avaliações intracranianas; proporcionando a oportunidade de examinar diretamente o funcionamento do cérebro humano durante o comportamento.

Introdução

A epilepsia é uma das doenças cerebrais mais comuns, caracterizada por crises recorrentes cronicamente resultantes de descargas elétricas excessivas de grupos de neurônios. A epilepsia afeta cerca de 50 milhões de pessoas no mundo e cerca de 40% de todos os indivíduos com epilepsia tem convulsões intratáveis ​​que não podem ser completamente controlados por terapia médica 1. A cirurgia pode resultar em estado livre de apreensão se as áreas do cérebro responsáveis ​​pela geração de convulsões (zona epileptog�ico - EZ) são localizados e removidos cirurgicamente ou desconectado. Para definir a localização anatômica da EZ e sua proximidade com possíveis áreas eloqüentes corticais e subcorticais, um conjunto de ferramentas não-invasivos estão disponíveis: análise da semiologia apreensão, registros eletroencefalográficos de vídeo de couro cabeludo (ictais e interictais gravações), testes neuropsicológicos , magnetoencephalography (MEG) e ressonância magnética 2. Quando os dados não invasiva é insuficiente para precisely definir a localização da EZ hipotético, quando há a suspeita de envolvimento precoce da cortical eloqüente e áreas subcorticais, ou quando há a possibilidade de ataques multi-focais, monitorização invasiva crônica pode ser necessário 3,4.

Os métodos de monitorização invasiva crônica para a definição da localização e dos limites de um EZ podem incluir grades subdurais e tiras, com eletrodos colocados na superfície do cérebro, e estéreo de eletroencefalografia (EEG), quando vários eletrodos de profundidade são colocados no cérebro em um período de três moda dimensional. Gravações intracranianas subdurais foram inicialmente relatada em 1939, quando Penfield e seus colegas usaram epidurais eléctrodos de contacto únicos em um paciente com uma fratura temporal parietal velha esquerda e cuja pneumoencefalografia divulgado atrofia cerebral difusa 5. Posteriormente, o uso de matrizes de grade subdurais se tornou mais popular após várias publicações durante a década de 1980 demonstraram a suasegurança e eficácia 6. O método EEG foi desenvolvido e popularizado na França por Jean Tailarach e Jean Bancaud durante os anos 50 e tem sido usado principalmente na França e na Itália, como o método de escolha para o mapeamento invasiva em epilepsia focal refratária 7-9.

O princípio da SEEG é baseado em correlações anátomo-eletro-clínica, que tem como princípio fundamental da organização espaço-temporal em 3 dimensões da descarga epiléptica no cérebro em correlação com apreensão semiologia. A estratégia de implantação é individualizado, com a colocação do eletrodo com base em uma hipótese pré-implantação que leva em consideração a principal organização da atividade epileptiforme e da rede epiléptico hipotético envolvido na propagação das crises. De acordo com vários relatórios europeus e norte-americanas recentes, metodologia SEEG permite gravações precisas de estruturas corticais e subcorticais profundas, múltiplos lo noncontiguousbes e explorações bilaterais, evitando a necessidade de grandes craniotomias 10-15. Depois disso, as imagens do pós-operatório são tomadas para obter a posição anatómica exacta dos eléctrodos implantados. Posteriormente, começa um período de acompanhamento, em que os pacientes permanecem no hospital por um período de 1 a 4 semanas, a fim de registrar as atividades interictais e ictais dos eletrodos implantados. Este período de acompanhamento é um momento oportuno para estudar o funcionamento do cérebro através da análise de EEG relacionados ao evento, já que não há risco adicional eo paciente normalmente vê a pesquisa como um alívio bem-vindo a partir do período de monitoramento mundano. As gravações obtida a partir de eletrodos intracranianos são não só vital para a melhoria da avaliação e tratamento de pacientes com epilepsia, mas além disso, proporcionar a oportunidade excepcional para estudar a atividade do cérebro humano durante paradigmas comportamentais.

Vários pesquisadores já perceberam a oportunidade de estudar gravações invasoras depacientes com epilepsia. Hill et al. Informou sobre a metodologia para a gravação de sinais eletrocorticográfica (ECoG) de pacientes para mapeamento cortical funcional 16. Gravações de ECoG também forneceram uma visão para acoplamento em língua motor 17. Pacientes com eletrodos profundos implantados ter realizado tarefas de navegação para estudar oscilações do cérebro na memória, aprendizado e movimento 18 19. Gravações de eletrodos de profundidade também foram utilizados para estudar os paradigmas com resolução temporal de outra forma inatingível, como hipocampo evocado atividade 20, a atividade neural na rede de modo padrão 21, eo curso temporal do processamento emocional 22. Hudry et al estudaram pacientes com epilepsia do lobo temporal que tiveram eletrodos implantados em seu SEEG amígdala por estímulos olfativos de curto prazo correspondem 23. Outro grupo estudou os movimentos dos membros simples, como flexão mão ou movimento unilateral da mão ou o pé em brai saudáveln locais de pacientes epilépticos com implantado SEEG 24,25.

Os estudos descritos acima são uma pequena amostra de uma coleção muito diversa da literatura pertinente. Existe um potencial intransponível para aprender e entender como o cérebro humano funciona usando uma combinação de tarefas comportamentais e gravações intracranianos. Embora existam outros métodos para alcançar este objetivo, as gravações intracranianos possuem vários benefícios, incluindo resolução temporal e espacial de alta, bem como o acesso a estruturas mais profundas. O objetivo dos autores descrevem a metodologia geral para a gravação de pacientes com eletrodos intracranianos durante tarefas comportamentais. No entanto, existem vários impedimentos e barreiras para concluir com sucesso a investigação clínica em pacientes que recebem cuidados. Limitações, efeitos de confusão, ea importância da pesquisa também serão identificados e explorados.

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Protocolo

Todas as tarefas foram realizadas de acordo com um protocolo aprovado submetido ao Conselho de Revisão Institucional (IRB), da Fundação Cleveland Clinic. Um processo de consentimento informado foi realizada com cada paciente antes de todas as actividades de investigação. Neste exemplo, uma pessoa que atenda critério de estudo que teve estéreo de eletroencefalografia (EEG) eletrodos implantados para apreensão é escolhido. O projeto foi discutido com o assunto e que consentiram em participar.

1 Recrutamento de Paciente

  1. Avaliação de pacientes com epilepsia refratária em consideração para implante de eletrodos intracraniana. Se o paciente é um bom candidato para a cirurgia invasiva, analisar o paciente de ressonância magnética, PET e MEG em conjunto com a patologia apreensão, a fim de optimizar a colocação dos eléctrodos. A equipe clínica realiza todas as avaliações e não são tomadas as decisões para fins de pesquisa. .
  2. Identificar pacientes elegíveis para o estudo subsequent a avaliação para implantação e verificar os pacientes por o protocolo IRB aprovado com base nos critérios de inclusão / exclusão.
    NOTA: É no melhor interesse do paciente para incluir indivíduos com uma aura nos critérios de inclusão. Pacientes com auras são capazes de notificar os pesquisadores que eles estão prestes a ter uma convulsão; dando a pesquisadores e paciente hora de tomar as precauções necessárias (pressionando o alarme apreensão para notificar o pessoal clínico e puxando todos os equipamentos fora do caminho). No entanto, se os indivíduos são recrutados que não têm uma aura, assegurar que os dispositivos de entrada do paciente pode ser facilmente retirado da área do paciente e que o pessoal tem conhecimento do equipamento de investigação e protocolo.
  3. Obter o consentimento informado antes de quaisquer actividades de investigação, de acordo com o IRB. Durante o consentimento informado, explicar a pesquisa, ressaltando que a participação é estritamente voluntária e em nada afetam os pacientes de cuidados clínicos. Na maioria dos casos, há is nenhum benefício direto ao paciente e sua vontade de participar é altruísta.
  4. Manter o respeito aos direitos do paciente e privacidade em todos os momentos. Relembre os pacientes de que suas informações permanecerão anónimo e confidencial e que pode cessar a participação no estudo a qualquer momento, sob nenhuma conseqüência.
  5. Ter o sinal paciente e datar o consentimento informado se ele ou ela entende e concorda em participar do estudo. Deixar uma cópia fica com o paciente a rever; caso tenham alguma dúvida ou preocupação encorajar os pacientes a entrar em contato com o PI.

2. comportamento do sistema de Set-up

  1. Antes de trazer o equipamento para a sala, verifique se há espaço suficiente no quarto do paciente, bem como o acesso às saídas necessárias (2).
  2. Verifique se todos os equipamentos e os fios estão prontos para agilizar o set up. O sistema inclui um comportamental FDA aprovou braço robótico (que permite que o sujeito control um cursor durante a tarefa), um computador portátil para controlar o programa comportamental, um monitor para apresentar os estímulos de tarefas, e um sistema de aquisição de dados para armazenar os dados electrofisiológicos e comportamentais.
    NOTA: faça as modificações necessárias para atender às necessidades específicas de sua pesquisa. Por exemplo, usar uma caixa de botão para a interface do paciente, ao invés do braço robótico.
  3. Se o paciente não está atualmente posicionado de forma adequada para completar a tarefa, ajudar o paciente a uma cadeira reclinável (ou cama) com os braços, eles devem ter uma convulsão.
    Nota: É uma boa idéia para discutir o projeto de estudo, equipamentos, etc, com todos os membros da unidade de monitoramento para informá-los sobre o que está acontecendo, como o grupo estará interagindo com os pacientes, e todos os problemas possíveis que podem surgir.
  4. Quando o paciente está pronto, colocar o sistema comportamental para o quarto e começar a arrancar o sistema comportamental e braço robótico.
  5. Conecte o marke digital eventor saída do computador comportamental para os canais de corrente contínua do sistema de aquisição de electrofisiológico, a fim de bloquear o tempo dos sinais EEG gravados com os marcadores de eventos comportamentais.
    NOTA: Neste centro há um sistema de aquisição de eletrofisiológico independente designado para fins de investigação, que não interfere com o sistema de aquisição de clínica. No entanto, é possível usar o sistema de aquisição de clínica, trabalhando com o pessoal apropriado. Devem ser envidados todos os esforços para não atrapalhar a aquisição clínica.
  6. Calibrar o braço robótico e posicioná-lo de tal forma que a amplitude de movimento é confortável para o paciente. Se estiver usando outro dispositivo de interface, certifique-se de que o equipamento está funcionando corretamente e está posicionado confortavelmente para o assunto de usar.
  7. Enquanto estiver usando o braço robótico, verifique se os botões de parada de emergência são facilmente acessíveis pelos pesquisadores durante toda a tarefa comportamental. Em caso de apreensão, o botão de parada de emergência épressionado e o equipamento é puxado para fora do paciente, de modo que eles não prejudiquem a si mesmos. Além disso, nós não usamos as tiras de velcro que vêm com o sistema do robô para facilitar a remoção do paciente no caso de uma convulsão.
    NOTA: Neste exemplo, a porta paralela do equipamento comportamento está ligado à porta de entrada digital do sistema de aquisição usando um cabo paralelo. Sinais analógicos adicionais, tais como a x e y posição do braço robótico são gravados simultaneamente.

3. Behavioral Task

  1. Explique a tarefa para o paciente após a conclusão da plataforma criada e calibração do dispositivo de interface.
  2. Use uma tarefa comportamental semelhante ao jogo de cartas das crianças de "guerra". Peça ao paciente para fazer apostas sobre se o seu cartão é maior do que o cartão do computador. A escolha da aposta é baseada na percepção do valor relativo do seu cartão do paciente. Simplifique o tpedir para posterior análise, usando apenas cartas de um naipe e limitando a plataforma para os 2, 4, 6, 8 e 10 cartas numeradas.
  3. Mostrar um taco de fixação na tela por 350 ms. Certifique-se de que o paciente mantém o cursor sobre a marca de fixação para iniciar a tarefa.
  4. Mostrar o estímulo para 1.000 ms. Permitir que o paciente ver o seu cartão com o cartão do computador ao lado de sua face para baixo.
  5. Após o desaparecimento cartões, mostram um go-cue (<5,000 ms) exibindo duas opções, pedindo ao paciente para apostar ou US $ 5 ou US $ 20, com base em seu cartão. Peça ao paciente para colocar a aposta movendo o cursor usando o braço robótico, sobre sua aposta escolhida. Randomize a posição aposta de uma tentativa para assegurar nenhum preconceito com base na posição.
  6. Após a aposta foi selecionado, observe a 250 - demora 500 ms (tela em branco), seguida pela revelação de placa do computador (1000 - 1250 ms). Observe o resultado (1.000 ms), se o julgamento foi uma vitória, perder, ou desenhar equanto foi ganho ou perdido.
  7. Permitir que o paciente praticar até que eles estão confiantes em seu desempenho e não tem nenhuma dúvida.

4 Aquisição de Dados

  1. Grave os dados quando o paciente está pronto e verifique se as configurações da pesquisa (ou clínica) sistema de aquisição são devidamente selecionados.
  2. Desligue as luzes da sala e TV para manter o ruído de fundo para um mínimo durante a gravação. Além disso, pedir ao paciente para abster-se de comportamentos como bater o pé, conversando ou balançando as pernas.
  3. Comece a tarefa e registrar o paciente executar a tarefa. Peça ao indivíduo para realizar a tarefa por 30 min. A taxa de amostragem do sistema de braço robótico é 1 KHz, e que os sistemas de gravação EEG é de 2 KHz.
    NOTA: Esta duração pode ser diferente para outros paradigmas.

Análise de Dados 5.

  1. Em primeiro lugar, de-identificar os dados EEG gravados para assegurar que informa o pacienteção é confidencial e que suas / seus dados são enviados de forma anônima.
  2. Obter as coordenadas dos locais de eletrodo do MRI e CT pré-operatório pós-operatório.
  3. Alinhe as gravações neurofisiológicos com a data e hora digitais de interesse da tarefa comportamental.
  4. Aplicar métodos de análise de sinal para analisar o caso dependente a atividade cerebral de modulação.
    NOTA: Neste estudo, a densidade espectral de potência (PSD) do evento relacionado sinais de EEG foi calculado usando Chronux multitaper toolbox 26,27. Cada ensaio foi dados alinhados no que diz respeito ao caso em questão (tempo zero), e o PSD calculado foi normalizada em cada posição de frequência em relação à linha de base PSD.

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Resultados

Nestes resultados, apresentamos a análise dos dados SEEG do sistema límbico capturado em um sujeito tocando o Task Guerra. Nós podemos demonstrar que vários aspectos do Grupo Guerra evocar significativa gama-banda - modulação (40 150 Hz) no sistema límbico (Figura 1). Como se vê, no córtex visual, a apresentação de um objeto sobre os resultados da tela em uma latência rápido (~ 200 ms) resposta de banda larga, independentemente da contingência tarefa. Além disso, parece não haver diferenças na duração d...

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Discussão

Aqui apresentamos um método para a realização de estudos eletrofisiológicos intracranianas em seres humanos como eles se envolvem em uma tarefa comportamental. Esta metodologia e suas permutações simples são importantes para o estudo do movimento humano e cognição. Apesar de existir inerentemente vantagens e desvantagens de qualquer técnica, gravação de eletrodos intracranianos tem vantagens sobre outras técnicas eletrofisiológicos e de imagem. Duas das principais vantagens são a capacidade de coletar dados de alta qual...

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Divulgações

Os autores não têm conflitos de divulgar.

Agradecimentos

Este trabalho foi apoiado por EFRI-MC3: # 1137237 atribuído a SVS e JTG

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
InMotion ARMInteractive Motion TechnologiesInMotion Armhttp://interactive-motion.com/inmotion-arm-the-new-standard-of-care/
Equipamento que nosso laboratório usou, pode usar outros equipamentos para coletar dados
MATLABMathworks IncMATLABhttp://www.mathworks.com/
Precisa da versão r2007b ou superior para executar Monkeylogic
Data Acquisition ToolboxMathworks IncAcquisition Toolboxhttp://www.mathworks.com/products/daq/
Deve ter que executar Monkeylogic
Image Processing ToolboxMathworks IncCaixa de ferramentas de processamento de imagemhttp://www.mathworks.com/products/image/
Deve ter que executar Monkeylogic
MonkeylogicWael Asaad e David FreedmanMonkeylogichttp://www.brown.edu/Research/monkeylogic/
Download grátis, deve ter MATLAB para executar
o Chronux Medametrics, LLC Caixa de ferramentas de processamento de dadoshttp://www.chronux.org/
BrainstormAplicativo de análise MEG/EEGhttp://neuroimage.usc.edu/brainstorm/
LaptopDellLatitude E5530http://www.dell.com/us/business/p/latitude-e5530/pd? ST=dell%20latitude%20e5530& dgc=ST& cid=263756& lid=4781504& acd=12309152537461010
NICard National InstrumentsNI USB-6008http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/201986
12 bits, 10 kS/s DAQ multifuncional de baixo custo
Data

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