Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Undersöka Funktion av djupa kortikala och subkortikala strukturer Använda Stereotactic Elektroencefalografi: Lärdomar från främre cingulum Cortex

Published: April 15, 2015 doi: 10.3791/52773
Automatic Translation
1,3, 4, 1,3, 3, 2,3, 2,3, 2,3, 1,3, 1,3, 1,3
1Department of Neurosurgery, Columbia University Medical Center, New York Presbyterian Hospital, 2Department of Neurology, Columbia University Medical Center, New York Presbyterian Hospital, 3Columbia University Medical Center, New York Presbyterian Hospital, 4School of Medicine, King's College London

Summary

Stereotaktisk Elektroencefalografi (SEEG) är en operationsteknik som används vid epilepsi kirurgi för att hjälpa lokalisera beslag härdar. Det ger också en unik möjlighet att undersöka hjärnans funktion. Här beskriver vi hur SEEG kan användas för att undersöka kognitiva processer i humana individer.

Abstract

Stereotaktisk Elektroencefalografi (SEEG) är en teknik som används för att lokalisera beslag härdar hos patienter med medicinskt svårbehandlad epilepsi. Detta förfarande involverar kronisk placering av flera djupelektroder in i regioner av hjärnan typiskt otillgängliga via subduralt gallerelektrodplacering. SEEG tillhandahåller således en unik möjlighet att undersöka hjärnans funktion. I denna uppsats visar vi hur SEEG kan användas för att undersöka vilken roll den dorsala främre cingulum cortex (DACC) i kognitiv kontroll. Vi inkluderar en beskrivning av SEEG förfarandet, vilket visar den kirurgiska placeringen av elektroderna. Vi beskriver komponenterna och process som krävs för att spela in den lokala fältpotential uppgifter (LFP) från samtyckande individer medan de är sysselsatta i en beteendevetenskaplig uppgift. I exemplet, ämnen spelar en kognitiv störning uppgift, och vi visar hur signaler registreras och analyseras från elektroder i den dorsala främre cingulum cortex, en intim areabart delaktiga i beslutsfattandet. Vi avslutar med ytterligare förslag på hur denna metod kan användas för att undersöka mänskliga kognitiva processer.

Introduction

Epilepsi, en gemensam neurologisk sjukdom som kännetecknas av multipla återkommande anfall med tiden, svarar för 1% av den globala bördan av sjukdomar 1. Antiepileptiska läkemedel misslyckas med att kontrollera kramper hos 20 - 30% av patienterna 2,3. I dessa medicinskt svårbehandlade patienter, är epilepsi kirurgi ofta indikerade 4,5. Beslutet att gå vidare med operationen kräver lokalisera beslag fokus, en förutsättning för att formulera en kirurgisk plan. Initialt är icke-invasiva metoder som används för att lateralize och lokalisera beslag fokus. Elektroencefalografi (EEG), till exempel, åtgärder kortikal elektrisk aktivitet registrerats från elektroder placerade i hårbotten och kan ofta ge tillräcklig information om placeringen av beslag fokus. Dessutom kan magnetisk resonanstomografi (MRT) visar diskreta lesioner, såsom hippocampus skleros, den klassiska patologi ses i den vanligaste formen av medicinskt svår epilepsi, mesiala temporal lob epilepsi (MTLE).

Ofta är dock den icke-invasiv upparbetning inte kan identifiera ett anfall fokus. I dessa fall är invasiv electrocorticography (ECOG) med intracerebrala elektroder som krävs för att lokalisera fokus och styra ytterligare kirurgisk behandling 6. ECOG är en neurofysiologisk teknik som används för att mäta elektriska aktivitet med användning av elektroder placerade i direkt kontakt med hjärnan. Galler eller remsor av ytan (subdural) elektroder placeras över ytan av hjärnan, en process som kräver en kraniotomi (avlägsnande av en benklaffen) och stor öppning av dura. Dessa ytelektroder kan placeras över den förmodade (n) i beslag debut. De distala ändarna av elektrod tunnlas genom små öppningar i huden och är ansluten till färdskrivaren i epilepsi övervakningsenhet (EMU). I EMU, är att patienten övervakas för kliniska anfallsaktivitet genom kontinuerlig video och ECOG inspelningar. Denna teknik is Används för att samla långsiktiga (dagar till veckor) inspelningar av ictal och Interiktal elektriska urladdningar över relativt stora områden av den kortikala ytan. Medan dessa intrakraniella inspelningar är ovärderliga kliniskt för att undersöka beslag fokus och förökning, de ger oss också möjlighet att undersöka kognitiv funktion och neurofysiologi hos människor som genomgår specifikt utformade beteende arbetsuppgifter.

ECOG använder subdural gallerelektroder har använts för att undersöka olika aspekter av kortikal funktion, inklusive sensorisk och språkbehandling. Som ett av många exempel, Bouchard et al visade den tidsmässiga samordningen av den orala muskulaturen i bildandet av stavelser för talat språk i ventrala sensorimotor cortex, en region identifierats som mänskligt tal sensorimotor cortex 7. Dessutom ECOG med subdural galler placering har också använts för att studera de mekanismer genom vilka människan har möjlighet att attend till en särskild röst inom en folkmassa: det så kallade "cocktailparty effekt" 8,9. ECOG inspelningar visade att det finns två distinkta neuronala band som dynamiskt spåra tal strömmar, både låg fas frekvens och hög gamma amplitud fluktuationer, och att det finns tydliga behandlingsplatser - en modulering site som spårar både högtalare och en "urvals" webbplats som spårar deltog talker 5.

En annan framväxande tillämpning av ECOG med subduralt elektrodplacering är potentialen för användning med Brain Computer Interface (BCIS), vilket "avkoda" neuronal aktivitet för att driva en extern utgång. Denna teknik har potential att låta patienter med svår hjärnan eller ryggmärgsskador att kommunicera med världen och manipulera proteser 10,11.

Medan subduralt grid placering har starkt bidragit till vår förståelse av supergjord kortikala områden och är användbar vid identifiering kortikala epileptogena foci, gör denna teknik kräver en kraniotomi och dess åtföljande risker, och är i allmänhet begränsad till att studera den yttre ytan av hjärnan. Stereotaktisk elektroencefalografi (SEEG) är en teknik som gör det möjligt att bedöma djup epileptogena foci 12. Med en lång historia av användning i Frankrike och Italien, det är också i allt större utsträckning i USA 13. SEEG innebär placering av multipla elektroder (typiskt 10-16) djupt inom ämnet av hjärnan genom små (några mm) spiralborr Burr hål. Fördelar med SEEG över subduralt rutnät placering omfattar dess mindre invasiv art, hur lätt undersöka bilaterala halvklot vid behov, och förmågan att generera tredimensionella kartor över anfalls förökning. Dessutom är dessa elektroder möjliggör identifiering av djupa epileptogena foci som tidigare var svåra att identifiera med ytelektroder. Detta förfarande provid ocksåes möjlighet att undersöka neurofysiologi och funktion av djupa kortikala strukturer, såsom det limbiska systemet, den mesoparietal cortex, den mesotemporal cortex, och orbitofrontal cortex, som alla var tidigare svårt att direkt undersöka i människor.

Denna uppsats visar hur SEEG kan utnyttjas för att undersöka den kognitiva funktionen i dorsal anterior cingulate cortex (DACC). Den DACC är en allmänt undersökt hjärnregion, men det är också en av de mest dåligt kända. Betraktas som en betydande region för mänsklig kognition, är det sannolikt att DACC är central för den dynamiska neurala bearbetning av beslut i samband med ständigt förändrade krav som ställs av omgivningen 14. Studier i både primater 15,16 och människor 17 antyder att DACC integrerar potentiella risker och fördelar av en given åtgärd, särskilt i situationer med flera samtidiga motstridiga krav 18-21, och modulates dessa beslut i samband med tidigare åtgärder och deras resultat 14,22,23.

Multi-Source Interference Task (MSIT), ett Stroop-liknande beteende uppgift, används ofta för att undersöka konfliktbearbetning i DACC. Den MSIT uppgiften aktiverar DACC genom att rekrytera nervceller som är involverade i flera domäner för behandling regleras i DACC 24,25. Denna uppgift specifikt aktiverar DACC genom att testa funktionerna i beslutsfattandet, måldetektering, krimskrams upptäckt, felsökning, val svar, och stimulus / respons konkurrens. Dessutom introducerar MSIT uppgiften flera dimensioner av kognitiv störning, som används i denna studie för att undersöka DACC neurala reaktioner på samtidiga motstridiga stimuli med hjälp SEEG.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Se till att varje patient granskas för lämplighet för forskningsstudien, och lämpliga patienter måste samtyckt att delta i studien enligt lokala IRK förfaranden.

1. Patient Urval för SEEG och forskning

  1. Patient Selektion för SEEG
    Obs: Epilepsi patienter måste kliniskt bedömas av ett multidisciplinärt team bestående av epileptologists, neuropsykolog och neurokirurger.
    1. Se till att patienten har medicinskt refraktär fokal epilepsi, definierat som inte svarar på minst 2 adekvata studier med antiepileptiska läkemedel.
    2. Se till att icke-invasiva tekniker har misslyckats med att lokalisera epileptogena foci.
    3. Bekräfta med multidisciplinärt team som patienten inte är lämplig för utredning endast med subdural gallerelektroder.
    4. Bekräfta med multidisciplinärt team att det finns klinisk misstanke om ett djupt anfallsdebut zonen.
    2. <li> Patient val för forskningsuppgift
    1. Se till att motivet är i åldrarna 13 och 65 år.
    2. Inhämta samtycke eller samtycke (tillsammans med föräldrarnas medgivande om yngre än 18 år) från patienten.
    3. Se till att individer har möjlighet att sköta uppgiften och samarbeta med testningen.

2. Upprättande och implantation Technique

  1. Utför en volyme T2 och kontrastförstärkt volymetriska T1 MRI preoperativt och överföra bilderna till den stereotaktiska navigeringsprogram, enligt tillverkarens protokoll.
    1. Planera de djupelektrod mål baserade på MR och klinisk misstanke om anfallsfokus.
      Anm: De exempel som tillhandahålls är baserade på Brainlab navigationsprogram och är sålunda specifika för detta system. Däremot kan alla stereotaktisk navigationsprogram användas för att planera djupelektrodbanor och placering.
    2. Definiera anatomiska regionen av intresse sommålpunkten inom "Stereotaktisk planering" funktionen i stereotaktisk navigationsprogram.
    3. Använd till exempel DACC som mål av intresse. Att definiera sin bana, tryck på "Ny bana," tryck sedan på "target" och klicka på DACC. Centrera målet i mitten av DACC genom att undersöka DACC i alla 3 plan (axial, koronalt och sagittal) och klicka på mitten av DACC i varje plan.
      1. Definiera ingång i hårbotten inom "Stereotaktisk planering" funktionen i stereotaktisk navigationsprogram.
    4. Välj till exempel en punkt i hårbotten som verkar vara den kortaste vägen till DACC. Tryck på "post" och välj den punkt i hårbotten för att göra ingångspunkt.
    5. Klicka och dra "target" och "inträde" punkter att modifiera definierad bana för att undvika kortikala och subkortikala vaskulära strukturer samt eventuella vältalig cerebral regioner.
    6. Upprepa för alla planerade djupelektrod mål (Figur 1).
    7. Erkänn patienten på morgonen den operationen, ta med till operationssalen, och framkalla under narkos 26,27.
    8. Bifoga en Cosman-Roberts-Wells (CRW) stereotaktisk gruvlave till patientens huvud med skallen skruvar.
    9. Skaffa en volyme CT med gruvlave på plats.
    10. Ladda volymetriska CT och MR bilder i stereonavigationsprogram via "Load och Import" funktionen.
    11. Klicka på "Lokalisering" funktion inom stereotaktisk navigationsprogram.
    12. Lokalisera CRW gruvlave genom att klicka på alla bilder som definieras av stereotaktisk navigationsprogramvaran som innehåller gruvlave och sedan trycka på knappen "Tilldela localizer".
    13. Klicka på "AC / PC Lokalisering" funktion inom stereotaktisk navigationsprogram.
    14. Identify de främre och bakre kommissurerna baserat på deras anatomiska belägenhet.
    15. Utse de främre och bakre kommissurer via "Ställ AC / PC-system" funktion inom stereotaktisk navigationsprogram.
    16. Klicka på "Bild Fusion" funktion inom stereotaktisk navigationsprogram.
    17. Slå ihop de CT-bilder med MRI-bilder i den stereotaktiska navigationsprogram 28,29. Klicka på den parade volymetriska CT och MRI-bilder under "Fusion" -fliken och klicka sedan på "Auto Fusion".
      Obs: Detta placerar MRI inom stereotaktisk ram koordinater.
    18. Klicka på "Stereotaktisk planering" funktion inom stereotaktisk navigationsprogram och bekräfta de planerade banor från steg 2.1.2 - 2.1.6.
    19. Välj den volymetriska CT som den stereotaktiska referens under fliken "stereotaktiska funktioner".
    20. Klicka på "print" -ikonen i tHan vertikal kolumn av ikoner för att skriva ut de sista stereotaktiska koordinaterna för varje djup elektrod bana 30,31.
  2. Implantation teknik
    1. Återgå patienten till operationssalen efter datortomografi.
    2. Förbered och drapera det kirurgiska området med hjälp av rutin sterila metoder 32,33.
    3. Kontrollera att ett fluoroskop är i operationsrummet och draperad tillsammans med resten av det kirurgiska området.
    4. Använda de tryckta stereotaktiska koordinaterna från steg 2.1.20, ange koordinaterna för första djup elektroden på gruvlave.
      Anm: De stereotaktiska koordinater ges i tre plan: sidled (x), vertikal (y) och anterior-posterior (z). Till exempel, de tryckta koordinaterna för ett mål i rätt DACC är 48,2 mm AP, 6,6 mm lateralt och 2,2 mm Vertikal. Den gruvlave sätts då till dessa koordinater därefter.
    5. Förläng guideblock ner till huden och markera platsen för borrhålet på sCalp med en märkpenna. Fäst guideblock på plats på grundval av de stereotaktiska koordinaterna och som sådan, inga landmärken är nödvändigt att markera snittet.
    6. Injicera 2-3 ml 0,5% bupivicaine i en 1: 100.000 utspädning av epinefrin i den markerade snittet.
    7. Gör en nick i hårbotten med en skalpell ner till skallen in den markerade snittet.
    8. Bränna dermis och djup vävnad med hjälp monopolär diatermi riktad med en belagd obturatorn för att minimera blödning från fartyg i huden eller subkutana vävnaden.
    9. Borra ett borrhål med användning av en 2,1 mm skruvborrbitorgan i mitten av snittet.
    10. Öppna dura med en styv obturator sond. Skruva en ankarbult i skallen. Placera en pre-uppmätt stilett sond genom ankarbulten för att göra ett spår för elektroden.
    11. Försiktigt föra elektroden till pre-beräknade djupet. Dra förankringsbulten locket nedåt för att säkra elektroden.
    12. Upprepa denna process för alladjupelektroder.
    13. Placera fluoroskop under och kring patientens huvud i både AP och laterala plan för att få fluoroskopiska bilder för att säkerställa tillräckliga placerings banor alla elektroder.
    14. Anslut elektroderna till kliniska Anläggning för att verifiera lämpliga impedanser.
    15. Vakna patienten från anestesi och transport till uppvakningsavdelningen, och därefter till EMU.
    16. I EMU, övervaka patienten via slutna övervakningskrets för kliniska anfall och via ECOG för elektro bevis på anfall.

3. Behavioral Task och Data Acquisition

  1. Behavioral uppgift
    1. Öppna beteende programvara på datorn som enbart ägnas åt att köra beteende programvaran.
      Obs: Instruktionerna är baserade på MonkeyLogic, en MATLAB verktygslåda avsedd för presentation och genomförande av tidsmässigt exakta psykofysiska arbetsuppgifter 34,35 och är därmed specific till att beteendemjukvaruplattform. Detta program körs på Matlab version 2010a och kräver "Data Acquisition Toolbox." Men någon beteendemjukvaruplattform som kan presentera visuella stimuli och inspelning elektrofysiologiska data kan användas.
    2. Ställ villkor filen avsedd att köra MSIT uppgift att inkludera samtliga fyra typer rättegång lika frekvens.
      Obs! MSIT Uppgiften består i att presentera ämnet med en cue med tre nummer mellan 0 och 3, där två av numren, de "distraktorer", är lika och ett nummer, "mål", är annorlunda.
      1. Instruera förutsättning att identifiera "mål" genom att trycka på motsvarande knapp på en knapp låda. Om "1" är målet, är den vänstra knappen rätt val. Om "2", den mittersta knappen, och om "3", den högra knappen. '0' motsvarar inte en möjlig knapp (Figur 2).
      2. Tryck på "Set villkor" -knappen och välj önskat villkor fil som i föregående steg.
        OBS: Det finns två typer av kognitiva störningar som inducerar konflikter under beslutsprocessen. Flanker interferensförsök uppstå när distraktorer är möjliga (1, 2, eller 3, snarare än 0) knapp val (t.ex.., 121), medan rumslig interferensförsök uppstå när målnumret rumsliga läge avviker från svars plats (t.ex. 200 , i vilken den mittersta knappen är det korrekta svaret, trots det faktum att målnumret är i det vänstra läget). Det finns fyra typer rättegång baserad på närvaron eller frånvaron av dessa två interferenstyper.
      3. Testa beteende bildskärm genom att klicka på "Test" i displayen rutan. Den bildskärm ska visa testet visuell stimulans för 2-3 sek.
      4. Anslut ämnet gränssnittsenhet (knapp ruta) till de analoga ingångarna på uppgifterförvärvs ombord på datorn åt att spela in de elektrofysiologiska data via tre standard BNC-kablar.
      5. Anslut knappen rutan till en strömkälla.
      6. Anslut datainsamling kortet till 512-kanals neurala signalprocessor via en bandkabel uppdelad i nio band. 8 av banden är anslutna till portarna 0-7 på den digitala I / O-delen av datainsamling ombord medan 9: e bandet är ansluten till port 0 på den digitala PFI delen av datainsamlingskortet.
        Obs: Banden skicka 8-bitars digitala markörer (portar 0-7, digitala I / O) och en strobpuls (port 0, digital PFI), till det neurala signalprocessorn.
      7. Ställ önskad samplingshastighet i den neurala signalprocessorn programvara.
        1. I detta exempel ställa in önskad samplingshastigheten till 50.000 samplingar per sekund, alias och ner-prov på nätet till 1.000 prover per sekund. Justera samplingshastighet för att passa de specifika målen för uppgiften. Under millisekund precision timingkräver en extremt hög samplingshastighet.
      8. Anslut förstärkaren till neurala signalprocessorn via fiberoptisk kabel.
      9. Anslut neurala signalprocessorn till data streamer och den optiska PCI-kort i neurala datainsamling dator via fiberoptisk kabel.
    3. Dataregistrering
      1. Använd forskning rigg för EMU elektrofysiologi innehållande en 512-kanals neurala signalprocessor för bearbetning och filtrering digitaliseras, förförstärks elektriska signaler från djupelektroder.
        Obs: Även om det finns 512 kanaler för bearbetning, i praktiken finns det aldrig mer än 15 - 20 elektroder placerade för kliniska ändamål. Därför rekommenderar vi att du spelar in från så många elektroder som möjligt som datastorlek och rumslig upplösning är aldrig ett problem.
      2. Transportera riggen till patientens rum, placera beteende monitor framför patienten på en bärbar bord och ansluta till beteendestyrdatornkör beteende programvaran med en vanlig DVI-kabel.
      3. Placera inspelningen riggen bakom eller på sidan av patientens säng för att förbli så diskret som möjligt.
      4. Anslut forskningssystemet till splitterbox som skiljer forsknings inspelning från den kliniska systemet.
      5. Kontroll inspelningsparametrar med hjälp av neurala signalprocessorn programvara 34,35.
        Obs: Detta system möjliggör under millisekund kontroll över beteende händelser 34,35. Synkronisering mellan neurala och beteendedata kan åstadkommas med antingen analoga pulser som kodar för uppgifts händelser eller digitala markörer. Båda signalerna kan sändas från antingen digitala eller analoga utgångar på dataupptagningskortet till de analoga eller digitala ingångar på neurala signalprocessor.
      6. Hand patienten ämnet gränssnittsenhet (knapp ruta) och ge uppgiftsinstruktioner.
      7. Klicka på "Kör" för att köra uppgiften.
      8. Låt patienten attslutföra 2 block om 150 försök vardera.

    4. Dataanalys

    1. Öppna programpaket som möjliggör visualisering av elektrofysiologiska data.
      Obs: Instruktionerna som ges nedan är specifika för Matlab version 2010a men någon programvara som möjliggör visualisering och manipulation av elektrofysiologiska data kan användas.
    2. Öppna .edf fil som innehåller råelektrofysiologiska data från försökssessionen.
    3. Visualisera SEEG signal från session för att garantera att det inte finns någon synlig artefakt såsom epileptiforma urladdningar eller rörelse artefakt (figur 3A).
    4. Överlägg de tidspulserna från beteende uppgiften på rå LFP trace (Figur 3B) för att illustrera hur analoga pulser kan avgränsa provstruktur.
    5. Använda tidspulser, anpassa SEEG spår till cue presentation för varje försök (figur 3C).
    6. Ta bort extremvärden (> 4 standardavvikelser)och artefakt spår (figur 3D).
    7. Spara alla inriktade studier i en matris för vidare analyser (20 försök visade staplade i figur 3E).
    8. Genomsnittlig LFP aktivitet i studierna för att minska effekten av buller, artefakt, eller EEG-aktivitet inte är relaterade till de presenterade stimuli, och för att öka signalen av intresse (Figur 3F).
    9. Skapa den råa, trial-genomsnitt spektrogram med hjälp av multi-avsmalnande spektralanalys 36-38.
      Obs: Time-frekvensanalys kan användas för att undersöka de specifika Spectro-temporala dynamik över en eller flera försök. Denna metod möjliggör undersökningen av neuronala svängningar vid olika frekvenser över tiden.
    10. Pad signalen från varje försök med nollor till nästa största kraften i 2 för att undvika kanteffekter.
    11. Applicera en 800 ms glidande fönster med 5 ledande konor och en tid-bandbreddprodukt av 9 varje 10 ms genom varaktigheten av signalen för att skapa spectrogram (Figur 4A).
    12. Multiplicera loggen av spektrogram med 10 och normalisera att visa högre frekvensinformation.
      Obs: spektrogram kan normaliseras genom ett distributions teoretisk frekvens (dvs., varje frekvensvärde höjs till den negativa 2. Effekt) (Figur 4B), varvid medelspektrum av något baslinjeaktivitet (Figur 4C), eller genom att dividera med medelvärdet och subtrahera standardavvikelse av värdena i varje frekvensband (Figur 4D). Detta förfarande möjliggör undersökning av specifika frekvensband i både råa och normaliserade former över tid för förändringar som är specifika för uppgiften. Till exempel, hög gamma band aktivering - är (70 150 Hz), vilket visas i figur 3E, tros spegla lokala excitatoriska aktiviteten hos den lokala neuronala befolkningen kring elektroden 39,40.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

När en patient har valts för SEEG elektrodplacering, han / hon genomgår en volyme T2 och T1 kontrastförstärkt MRI. Seeg elektrod banor sedan planerade att använda stereotaktisk navigering av volymetriska MRI sekvenser (Figur 1). Denna teknik gör det möjligt för insamling av lokala fält potentialer från strukturer djupt inom cortex såsom rygg främre cingulum cortex (ljusorange bana, figur 1) som inte skulle vara möjligt med typiska ytelektrod placering. Postoperativt i EMU, patienten utför Multi-Source Interference Uppgift (Figur 2), som syftar till att aktivera DACC nervceller. Efter ett tillräckligt antal rättegångar, är de lokala fält potentiella data från Seeg elektroder i DACC förbehandlas för att anpassa LFP data till cue presentation för efterföljande meningsfull analys (Figur 3). Dessutom, när linje, LFP data kan medelvärdes att undersöka changes i genomsnitt elektrofysiologiska svar mellan typer försöks (Figur 3F). Därefter fler koniska spektrogram gjorts för att undersöka förändringar i frekvensband över tid (Figur 4). Som hårbotten EEG-studier har blandat olika frekvensband i aktiviteten ses i DACC, är tidsfrekvensanalys en viktig metod för att länka elektrofysiologiska förändringar i DACC med beteendet.

Figur 1
Figur 1. Planerade Seeg Elektrod Trajectories Använda Stereotactic sjöfarten Volumetric T1 Contrast Enhanced MRI. Topp vänstra panelen. Top down bild av tredimensionellt rekonstruerade ansikte med överlagrade planerade Seeg elektrod banor. Överst till höger, nere till vänster, och nedre högra panelerna. Axial, sagittal och koronala vyer av planerade Seeg elektrod banor lagrade på patientens MRI. Orangeelektrod banor representerar implantering i främre cingulum cortex bilateralt. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2
Figur 2. Multi-Source Interference Task. Initialt ämnet fixerar på ett kors i mitten av skärmen innan kö visas. Cue presenteras sedan och motivet måste identifiera "mål" nummer, vilket är den siffra som skiljer sig från de andra två nummer som presenteras. Ämnet visar val med ett knapptryck: vänstra knappen om målet är "1", mitten om "2" och höger om "3." I det här exemplet, om motivet trycker på mittenknappen, han / hon visat nummer "2" i grönt, vilket indikerar att han / hon gjortdet rätta valet. Om han / hon väljer någon av de andra knapparna, "2" visas i rött, vilket indikerar ett felaktigt val. Ämnen genomgår också studier där de inte får valenced feedback om deras val, i vilket fall "2" visas i blått oberoende av om valet är korrekt eller inte. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3. Preprocessing SEEG Data. (A) Alla uppgifter som registrerats från en enda kanal i DACC. (B) En minut lång inspelning från främre cingulum cortex med överlagrade tidspulser för beteende uppgiften. (C) Data för varje försök inriktad på kö presentationen. (D) Data för varjerättegång linje på cue presentation med extremvärden och artefakt spår borttagna. (E) LFP från 20 studier inriktade på cue presentation och staplade. F. Averaged LFP anpassats på cue presentation från en medial prefrontal elektrod. Prickade linjer representerar uppkomsten av fixeringspunkten. Streckade linjer representerar cue debut. Dash-prickade linjerna representerar den genomsnittliga svarstiden. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4
Figur 4. spektralanalys. (A) Rå trial-genomsnitt fler kona spektrogram anpassas kö. (B) Samma spektrogram i A normaliserad med 1 / f 2. (C) Samma spektrogram i En normaliserad genom medelspektrum från 500 millisekunder before kö. (D) Samma spektrogram i (A) normaliserats frekvensband. (E) Mean hög gammaband makt för normaliserad och onormaliserad spektra. I alla tomter, streckade linjerna representerar uppkomsten av fixeringspunkten, streckade linjer representerar cue debut, och streckprickade linjerna representerar den genomsnittliga svarstiden. Färgade staplar indikerar höga gamma-banden används i (E). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I denna uppsats SEEG användes för att undersöka aktiviteten av lokala neuronala populationer inom DACC under ett beslutsuppgift hos människor. Tidigare arbete har undersökt aktiviteten av enskilda nervceller i DACC använder intraoperativa microelectode inspelningar 14 och visade att DACC aktivitet moduleras av tidigare verksamhet. Mikroelektrod studier möjliggör utredningen av tillsatta aktivitet enskilda nervceller. SEEG mäter LFPs, som är relaterade till de summerade synaptiska potentialer över en stor population av nervceller. SEEG tillåter därför möjlighet att samtidigt undersöka befolkningsnervaktivitet från flera delar av hjärnan.

Vid användning av en klinisk teknik såsom SEEG att undersöka vetenskapliga frågor, är det viktigt att först se till att de operativa och forskningsplaner inriktade. Den kliniskt problem som skall lösas innebär att bestämma patientens beslag debut zonen och will alltid företräde. Eftersom den operativa planen styrs av kliniska behov, kommer det inte alltid möjligt att undersöka samma forskningsproblem med varje fodral. Därför har vi utvecklat en rad uppgifter som syftar till att svara på separata vetenskapliga frågor som kan anpassas till patientens operativa planen beroende på vilka regioner som förhörs med elektroder.

I denna studie var SEEG LFP uppgifter utnyttjas för att undersöka kognitiv kontroll över målinriktat beteende i dorsal anterior cingulate cortex, en djup kortikal struktur i den mediala prefrontala region som är svårt att utreda i människor. LFP datainsamling kan utföras med många olika system. En avgörande aspekt att tänka på är samplingsfrekvensen som detta måste vara tillräckligt hög för att förvärva de signaler där forskaren är intresserad. I allmänhet bör samplingsfrekvensen vara fyra gånger högre än den högsta frekvensbandet som undersöks. Till exempel, om forskningener är intresserade av att titta på framkallade potentialer (<50 Hz), behöver samplingshastigheten endast vara omkring 200 prover / s. Men om den vetenskapliga frågan innefattar att granska hög gamma aktivitet (60-200 Hz), bör samplingshastigheten vara minst 500 prover / s. Dessutom bör systemet kunna spela tillräckligt elektroder som implanteras, och hårdvarufilter på datainsamlingssystem bör inte utesluta frekvensband av intresse. Till exempel är det många system inte spela likströmssignaler. Om forskaren är intresserad av att studera mycket långsamma signaler, han / hon bör använda ett inspelningssystem med en lämpligt låg hårdvarufilter högpass. Under dataanalys skede är det viktigt att ta bort prövningar med mycket stora eller snabba transienter och ta bort kanaler eller prövningar som uppvisar epileptiform aktivitet som normal fysiologi är mycket svårt att studera i närvaro av epileptiform aktivitet.

Den roll som DACC fel förutsägelse 23,41 15 och beteendeanpassning i samband med konkurrerande krav 18-21, motstridiga svar 42 och tidigare verksamhet 14,22,23, är väl etablerad. Dock är fortfarande föremål för gissningar en enhetlig och integrerande teori för de specifika neurala mekanismer genom vilka DACC modulerar kognitiv kontroll på grund av brist på empiriska bevis från humana studier som undersöker dessa domäner samtidigt 43,44. SEEG ger möjlighet att undersöka neural aktivitet i den mänskliga DACC och därmed bidra till en integrerad förståelse av DACC funktionen.

SEEG ger möjlighet att undersöka andra kortikala områden som kan vara svåra att komma åt med ytelektroder, såsom orbitofrontal cortex (OFC), vars engagemang i de känslomässiga och belöningsbaserade aspekter av beslutsfattande har undersökts i studier med hjälp av enhet inspelningar i makak monnycklar 45 och anslutnings studier på människa som använder diffusion-viktade imaging tractography 46. Även om dessa studier har bidragit till teorin om OFC funktion i människans beslutsfattande 47, finns det en brist på litteratur hos människor som studerar OFC funktionen specifikt 48. SEEG ger möjlighet att ta itu med denna kunskapslucka. Vidare kan SEEG användas för att demonstrera funktionen av olika regioner av det limbiska systemet, en samling av djupa kortikala och subkortikala strukturer som deltar i bearbetningen känslor, smärta, rädsla och negativ affekt. En sådan SEEG studie undersöker svaret av det limbiska systemet till uttrycksfulla ansikten har visat att hippocampus och amygdala innehåller specifika neuronpopulationer som skiljer lyckliga från skrämmande ansikten, medan amygdala neuronala populationer verkar spåra subjektiv bedömning av dessa känslomässiga ansikten 49. Dysfunktion i dessa regioner tros vara inblandade i Anxihällets rubbningar 50 inkluderande tvångssyndrom 51 och Seeg studier ger möjlighet att förstå de påverkade nervbanor och patofysiologin av dessa sjukdomar mer i detalj.

Vidare kan SEEG användas för att undersöka precuneus, en webbplats som ofta är riktad under Seeg epilepsiundersökningar, men sällan täckt med subdural rutnät implantat. Funktionen för denna region av postero-mediala hjässloben är dåligt kända, främst på grund av dess anatomiska läge djupt inne i interhemispheric spricka. Funktionella imaging studier har visat att precuneus är aktiv i "standardläge" eller medvetet vilotillstånd 52, i självbearbetning 53-55, och i episodiskt minne bearbetning, även om självbiografiska minnen 56,57. Eftersom dessa resultat är baserade på begränsade studier i icke-mänskliga primater och människor, vår förståelse av neurocognitive betydelse denna region är fortfarande i sin linda 58. Med SEEG har vi nu möjlighet att undersöka nervaktivitet inom precuneus i vakna människor, vilket kan ge nya insikter i funktionen av denna hjärnregion.

Som med någon teknik, har SEEG begränsningar i både dess förvärv och användning. Som en klinisk teknik, är det nödvändigtvis begränsad av både patienturval och den kliniska arten av patientens epilepsi. Även forskare kan utforma ett antal uppgifter för att komma runt denna begränsning kommer de anatomiska regioner studerade alltid begränsas av den operativa planen. Dessutom, som tidigare nämnts, SEEG postens fält potentialer lokala, som representerar de summerade synaptiska potentialer hos många nervceller. Således innebär denna teknik inte den rumsliga upplösningen av enstaka neuron inspelningstekniker och kan inte lämna uppgifter om tillsatta aktivitet eller action potentiella vågformer. Som sådana, när man utformar uppgifter till investigate vetenskapliga frågor, är det viktigt att se till att LFP uppgifter kan svara på frågan om intresset.

I detta papper, var SEEG utnyttjats för att undersöka djupa kortikala och subkortikala strukturer som tidigare var svåra att studera i vakna människor. Dessa studier har potential att öka vår förståelse av mänskliga kognitiva processer. Som SEEG alltmer införlivas som ett verktyg inom arsenalen av epilepsi program, möjlighet för neuroforskare utnyttja dess potential för att studera den mänskliga hjärnan kommer att växa betydligt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har någon intressekonflikt att lämna ut.

Acknowledgments

Författarna har inga bekräftelser eller finansiella upplysningar.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Trigger I/O cable Natus Medical Inc. 5029 PS2 to BNC cable
BNC cables for analog pulses Can be ordered from most electronics stores.
Power strip with surge protection and battery backup Tripp Lite SMART500RT1U UPC Power source and backup
National instruments multifunctional daq data acquisition box NI PCIe-6382 DAQ cards National Instruments PCIe-6382 w/ BNC 2090A PCI cards for behavioral control interface
Custom made button box - human interface device Any human interface device with three buttons may be used. Alternatively, 3 keyboard buttons may be used.
Xltek 128 channel clinical intracranial EEG monitoring system EMU128FS Natus Medical Inc. 002047c Clinical recording system
Subject monitor and associated cables for visual stimulus presentation Dell U2212HMc Most Monitors are adequate here.
Personal comptuer running behavioral software with DAQ cards installed Superlogics SL-2U-PD-Q87SLQ-BA Computer for recording neural data
Mains cable for monitor Usually comes with the monitor, can be purchased at any electronics store.
Monkey Logic software which runs on Matlab 2010A Free from MonkeyLogic website
MATLAB 2010a software with data acquisition toolbox Mathworks Matlab software
sEEG electrodes AD TECH or PMT AD TECH 2102-##-101 Platinum tip, diameter (0.89 mm, 1 mm, 1.1 mm), uninsulated length 2.3 mm; The ## in the catalog number indicates the number of contacts on the electrode (08, 10, 12, or 16)
Cabrio connectors PMT 2125-##-01 The ## in the catalog number indicates the number of contacts on the electrode (08, 10, 12, or 16)
Tucker Davis Technologies Amplifier Tucker Davs Technologies PZ5 preamplifier for neural data
Tucker Davis Technologies processor Tucker Davs Technologies RZ2 Neural signal processor for neural data
TuckerDavis Technologies data streamer Tucker Davs Technologies RS4 Data streamer and storage
Fiber optics cables to connect TDT systems Tucker Davs Technologies F05 Fiber optic cables for connecting Tucker Davis Technologies' prodcuts.
ribbon cable and snap serial connector for digital markers Can be ordered from ost electronics stores.
personal computer fro running TDT RPvdsEx and OpenEx software Superlogics SL-2U-PD-Q87SLQ-BA computer for behavioral control
middle atlantics server cabinet with casters Middle Atlantic Products PTRK-21 Server case to house all of the research items
Tucker Davis Technologies splitter box to split clinical and research recrodings Tucker Davs Technologies This splitter box is a semi-custom device. Researchers should consult the attending neurologists about splitting the research and clinical recordings in a way that doesn't interfere with clinical care.
Researcher monitor with requisite cables Dell U2212HMc Most Monitors are adequate here.
button box power source - 5 volts, 2 amperes Can be purchased at any electronics store.
TDT optical interface PCI card Tucker Davs Technologies P05

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Murray, C. J., Lopez, A. D., Jamison, D. T. The global burden of disease in 1990: summary results, sensitivity analysis and future directions. Bulletin of the World Health Organization. 72, 495 (1994).
  2. Berg, A. T. Understanding the delay before epilepsy surgery: who develops intractable focal epilepsy and when. CNS Spectr. 9, 136-144 (2004).
  3. Hauser, W. A. Epilepsy: frequency, causes and consequences. , Demos Press. (1990).
  4. Wiebe, S., Blume, W. T., Girvin, J. P., Eliasziw, M. A Randomized, Controlled Trial of Surgery for Temporal-Lobe Epilepsy. New England Journal of Medicine. 345, 311-318 (2001).
  5. Fisher, R. Electrical stimulation of the anterior nucleus of thalamus for treatment of refractory epilepsy. Epilepsia. 51, 899-908 (2010).
  6. Zumsteg, D., Wieser, H. G. Presurgical evaluation: current role of invasive EEG. Epilepsia. 41, Suppl 3. S55-S60 (2000).
  7. Bouchard, K. E., Mesgarani, N., Johnson, K., Chang, E. F. Functional organization of human sensorimotor cortex for speech articulation. Nature. 495, 327-332 (2013).
  8. Zion Golumbic, E. M. Mechanisms underlying selective neuronal tracking of attended speech at a 'cocktail party'. Neuron. 77, 980-991 (2013).
  9. Mesgarani, N., Chang, E. F. Selective cortical representation of attended speaker in multi-talker speech perception. Nature. 485, 233-236 (2012).
  10. Leuthardt, E. C., Miller, K. J., Schalk, G., Rao, R. P. N., Ojemann, J. G. Electrocorticography-based brain computer Interface-the seattle experience. Neural Systems and Rehabilitation Engineering, IEEE Transactions on. 14, 194-198 (2006).
  11. Leuthardt, E. C., Schalk, G., Wolpaw, J. R., Ojemann, J. G., Moran, D. W. A brain-computer interface using electrocorticographic signals in humans. Journal of neural engineering. 1, 63-71 (2004).
  12. Talairach, J. New approach to the neurosurgery of epilepsy. Stereotaxic methodology and therapeutic results. 1. Introduction and history. Neurochirurgie. 20, Suppl 1. 1-240 (1974).
  13. Gonzalez-Martinez, J. Stereotactic placement of depth electrodes in medically intractable epilepsy. Journal of neurosurgery. 120, 639-644 (2014).
  14. Sheth, S. A. Human dorsal anterior cingulate cortex neurons mediate ongoing behavioural adaptation. Nature. 488, 218-221 (2012).
  15. Hayden, B. Y., Platt, M. L. Neurons in anterior cingulate cortex multiplex information about reward and action. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 30, 3339-3346 (2010).
  16. Hayden, B. Y., Pearson, J. M., Platt, M. L. Fictive Reward Signals in the Anterior Cingulate Cortex. Science. 324, 948-950 (2009).
  17. Williams, Z. M., Bush, G., Rauch, S. L., Cosgrove, G. R., Eskandar, E. N. Human anterior cingulate neurons and the integration of monetary reward with motor responses. Nature neuroscience. 7, 1370-1375 (2004).
  18. Botvinick, M., Nystrom, L. E., Fissell, K., Carter, C. S., Cohen, J. D. Conflict monitoring versus selection-for-action in anterior cingulate cortex. Nature. 402, 179-181 (1999).
  19. Carter, C. S., Van Veen, V. Anterior cingulate cortex and conflict detection: an update of theory and data. Cognitive, Affective, & Behavioral Neuroscience. 7, 367-379 (2007).
  20. Botvinick, M. M., Cohen, J. D., Carter, C. S. Conflict monitoring and anterior cingulate cortex: an update. Trends in cognitive sciences. 8, 539-546 (2004).
  21. Veen, V., Carter, C. S. The anterior cingulate as a conflict monitor: fMRI and ERP studies. Physiology & Behavior. 77, 477-482 (2002).
  22. Kennerley, S. W., Walton, M. E., Behrens, T. E. J., Buckley, M. J., Rushworth, M. F. S. Optimal decision making and the anterior cingulate cortex. Nat Neurosci. 9, 940-947 (2006).
  23. Brown, J. W., Braver, T. S. Learned predictions of error likelihood in the anterior cingulate cortex. Science. 307, 1118-1121 (2005).
  24. Bush, G., Shin, L. M., Holmes, J., Rosen, B. R., Vogt, B. A. The Multi-Source Interference Task: validation study with fMRI in individual subjects. Mol Psychiatry. 8, 60-70 (2003).
  25. Bush, G., Shin, L. M. The Multi-Source Interference Task: an fMRI task that reliably activates the cingulo-frontal-parietal cognitive/attention network. Nature protocols. 1, 308-313 (2006).
  26. Candelaria, L. M., Smith, R. K. Propofol infusion technique for outpatient general anesthesia. J Oral Maxillofac Surg. 53, 124-128 (1995).
  27. Shafer, A., Doze, V. A., Shafer, S. L., White, P. F. Pharmacokinetics and pharmacodynamics of propofol infusions during general anesthesia. Anesthesiology. 69, 348-356 (1988).
  28. Cohen, D. S., Lustgarten, J. H., Miller, E., Khandji, A. G., Goodman, R. R. Effects of coregistration of MR to CT images on MR stereotactic accuracy. J Neurosurg. 82, 772-779 (1995).
  29. Ken, S. Quantitative evaluation for brain CT/MRI coregistration based on maximization of mutual information in patients with focal epilepsy investigated with subdural electrodes. Magn Reson Imaging. 25, 883-888 (2007).
  30. Niemann, K., Naujokat, C., Pohl, G., Wollner, C., von Keyserlingk, D. Verification of the Schaltenbrand and Wahren stereotactic atlas. Acta neurochirurgica. 129, 72-81 (1994).
  31. Nowinski, W. L. Anatomical targeting in functional neurosurgery by the simultaneous use of multiple Schaltenbrand-Wahren brain atlas microseries. Stereotact Funct Neurosurg. 71, 103-116 (1998).
  32. Hopper, W. R., Moss, R. Common breaks in sterile technique: clinical perspectives and perioperative implications. AORN J. 91, 350-364 (2010).
  33. Mangram, A. J., Horan, T. C., Pearson, M. L., Silver, L. C., Jarvis, W. R. Guideline for prevention of surgical site infection. Hospital Infection Control Practices Advisory Committee. Infect Control Hosp Epidemiol. 20, 250-278 (1999).
  34. Asaad, W. F., Eskandar, E. N. A flexible software tool for temporally-precise behavioral control in Matlab. Journal of Neuroscience Methods. 174, 245-258 (2008).
  35. Asaad, W. F., Eskandar, E. N. Achieving behavioral control with millisecond resolution in a high-level programming environment. Journal of Neuroscience Methods. 173, 235-240 (2008).
  36. Bokil, H., Andrews, P., Kulkarni, J. E., Mehta, S., Mitra, P. P. Chronux: A platform for analyzing neural signals. Journal of Neuroscience Methods. 192, 146-151 (2010).
  37. Bokil, P. M. aH. Observed Brain Dynamics. , Oxford University Press. (2008).
  38. Chronux. , Available from: http://chronux.org (2014).
  39. Miller, K. J. Broadband Spectral Change: Evidence for a Macroscale Correlate of Population Firing Rate. The Journal of Neuroscience. 30, 6477-6479 (2010).
  40. Buzsáki, G., Anastassiou, C. A., Koch, C. The origin of extracellular fields and currents — EEG, ECoG, LFP and spikes. Nat Rev Neurosci. 13, 407-420 (2012).
  41. Carter, C. S. Anterior cingulate cortex, error detection, and the online monitoring of performance. Science. 280, 747-749 (1998).
  42. Botvinick, M., Nystrom, L. E., Fissell, K., Carter, C. S., Cohen, J. D. Conflict monitoring versus selection-for-action in anterior cingulate cortex. Nature. 402, 179-181 (1999).
  43. Holroyd, C. B., Coles, M. G. The neural basis of human error processing: reinforcement learning, dopamine, and the error-related negativity. Psychological review. 109, 679-709 (2002).
  44. Shenhav, A., Botvinick, M. M., Cohen, J. D. The expected value of control: an integrative theory of anterior cingulate cortex function. Neuron. 79, 217-240 (2013).
  45. Roesch, M. R., Olson, C. R. Neuronal Activity Related to Reward Value and Motivation in Primate Frontal Cortex. Science. 304, 307-310 (2004).
  46. Croxson, P. L. Quantitative Investigation of Connections of the Prefrontal Cortex in the Human and Macaque using Probabilistic Diffusion Tractography. The Journal of Neuroscience. 25, 8854-8866 (2005).
  47. Rushworth, M. F. S., Behrens, T. E. J., Rudebeck, P. H., Walton, M. E. Contrasting roles for cingulate and orbitofrontal cortex in decisions and social behaviour. Trends in Cognitive Sciences. 11, 168-176 (2007).
  48. Kawasaki, H. Single-neuron responses to emotional visual stimuli recorded in human ventral prefrontal cortex. Nat Neurosci. 4, 15-16 (2001).
  49. Wang, S. Neurons in the human amygdala selective for perceived emotion. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111, E3110-E3119 (2014).
  50. Milad, M. R., Rauch, S. L. The role of the orbitofrontal cortex in anxiety disorders. Annals of the New York Academy of Sciences. 1121, 546-561 (2007).
  51. Milad, M. R., Rauch, S. L. Obsessive-compulsive disorder: beyond segregated cortico-striatal pathways. Trends Cogn Sci. 16, 43-51 (2012).
  52. Raichle, M. E. A default mode of brain function. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 98, 676-682 (2001).
  53. David, N. Neural representations of self versus other: visual-spatial perspective taking and agency in a virtual ball-tossing game. Journal of cognitive neuroscience. 18, 898-910 (2006).
  54. Kjaer, T. W., Nowak, M., Lou, H. C. Reflective self-awareness and conscious states: PET evidence for a common midline parietofrontal core. NeuroImage. 17, 1080-1086 (2002).
  55. Kircher, T. T. The neural correlates of intentional and incidental self processing. Neuropsychologia. 40, 683-692 (2002).
  56. Addis, D. R., McIntosh, A. R., Moscovitch, M., Crawley, A. P., McAndrews, M. P. Characterizing spatial and temporal features of autobiographical memory retrieval networks: a partial least squares approach. NeuroImage. 23, 1460-1471 (2004).
  57. Gilboa, A., Winocur, G., Grady, C. L., Hevenor, S. J., Moscovitch, M. Remembering our past: functional neuroanatomy of recollection of recent and very remote personal events. Cerebral cortex (New York, N.Y. : 1991). 14, 1214-1225 (2004).
  58. Cavanna, A. E., Trimble, M. R. The precuneus: a review of its functional anatomy and behavioural correlates. Brain: a journal of neurology. 129, 564-583 (2006).

Tags

Neurovetenskap epilepsi stereotaktisk elektroencefalografi främre cingulum cortex lokal fältpotential elektrodplacering
Undersöka Funktion av djupa kortikala och subkortikala strukturer Använda Stereotactic Elektroencefalografi: Lärdomar från främre cingulum Cortex
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

McGovern, R. A., Ratneswaren, T.,… More

McGovern, R. A., Ratneswaren, T., Smith, E. H., Russo, J. F., Jongeling, A. C., Bateman, L. M., Schevon, C. A., Feldstein, N. A., McKhann, II, G. M., Sheth, S. Investigating the Function of Deep Cortical and Subcortical Structures Using Stereotactic Electroencephalography: Lessons from the Anterior Cingulate Cortex. J. Vis. Exp. (98), e52773, doi:10.3791/52773 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter