Usando Saccadometry com Estimulação Cerebral Profunda para estudar normal e patológico função cerebral

Summary

Este artigo descreve o uso da medição quantitativa dos movimentos oculares em conjunto com a estimulação de áreas focais do cérebro profundo para estudar fisiologia, fisiopatologia e os mecanismos de estimulação cerebral profunda.

Abstract

O sistema oculomotor envolve um grande número de áreas cerebrais, incluindo partes dos gânglios da base, e várias doenças neurodegenerativas, incluindo Parkinson e Huntington, podem interrompê-lo. Pessoas com doença de Parkinson, por exemplo, tendem a ter latências sacádicas aumentadas. Consequentemente, a medição quantitativa dos movimentos oculares sacádicos tem recebido atenção considerável como um potencial biomarcador para condições neurodegenerativas. Muito mais pode ser aprendido sobre o cérebro, tanto na saúde quanto na doença, observando o que acontece com os movimentos oculares quando a função de áreas específicas do cérebro é perturbada. A estimulação cerebral profunda é uma intervenção cirúrgica usada para o tratamento de uma série de condições neurológicas, incluindo a doença de Parkinson, na qual eletrodos estimulantes são colocados em áreas específicas do cérebro, incluindo vários locais nos gânglios da base. As medições do movimento ocular podem então ser feitas com os sistemas estimuladores desligados e ligados e os resultados comparados. Com um desenho experimental adequado, essa abordagem pode ser usada para estudar a fisiopatologia da doença a ser tratada, o mecanismo pelo qual o DBS exerce seus efeitos benéficos e até mesmo aspectos da neurofisiologia normal.

Introduction

Nos últimos anos, tem havido um interesse crescente na utilização de medidas de tempos de reacção de uma maneira quantitativa e não-invasiva de obter informação sobre os mecanismos de alto nível de decisão neural fazendo ^um. Um tipo de tempo de reação que tem sido estudado extensivamente é o tempo necessário para iniciar uma saccade mediante a apresentação de um estímulo visual, conhecido como latência sacádica. Sacadas são os movimentos oculares rápidos que ocorrem quando mudamos rapidamente o olhar de um lugar para outro. Eles são o tipo mais comum de movimentos oculares fazemos, ocorrendo com uma frequência de, tipicamente dois ou três por segundo. Cada saccade está em vigor a decisão de olhar para uma sugestão no mundo visual em vez de outro ^2.

As vias neurais que controlam os movimentos oculares têm sido estudados extensivamente e são razoavelmente bem documentado ^3. Usando equipamentos eletrônicos sensíveis, aspectos da função oculomotor pode ser precisa e objectively quantificado. Isto facilita o estudo detalhado dos próprios movimentos dos olhos, mas também permite que eles sejam utilizados como uma ferramenta para investigar outras áreas de neurofisiologia e patofisiologia.

medição de movimento dos olhos pode fornecer informações úteis sobre estados de doença. Movimentos oculares Sacádicos recentemente, por exemplo, recebido muita atenção como potenciais biomarcadores em doenças neurodegenerativas, incluindo a doença de Huntington e Parkinson ^{4,5- 6,7,} e que está bem estabelecido que os tempos de reacção saccadic tendem a ser mais lento do que o normal em tais condições. Os usos potenciais de medida sacádica incluem ajudas ao diagnóstico e acompanhamento da doença. Sacádicos tarefas vão desde o simples prosaccade (procura tão rapidamente quanto possível no sentido de um estímulo visual de repente aparece para a esquerda ou para a direita) para tarefas mais complexas, tais como o antisaccade (procura tão rapidamente quanto possível para o lado oposto a um estímulo visual) ou memória- saccade guiada (olhandopara o local lembrava de um alvo que não está mais lá).

A estimulação cerebral profunda é um tratamento eficaz para várias condições neurológicas. É mais comumente utilizados para tratar os sintomas motores da doença de Parkinson, incluindo tremor, rigidez, bradicinesia, e discinesia. É também usado para outros distúrbios de movimento, incluindo distonia e tremor essencial, e menos comummente para a dor neuropática, epilepsia, e doenças do foro psiquiátrico tais como desordem obsessiva compulsiva. É o único cenário em que os cientistas têm acesso eléctrica directa a estruturas profundas do cérebro humano in vivo e, portanto, oferece uma oportunidade preciosa para a neurologia experimental. Uma variedade de alvos são estimulados dependendo do estado a ser tratado, incluindo vários locais nos gânglios basais, muitos dos quais estão envolvidos em vias oculomotores. Isto significa que uma ampla gama de estudos podem ser realizados utilizando o sistema de DBS para fornecer estimulaçãopara um determinado local do cérebro e um dispositivo de rastreamento ocular para registrar e analisar seus efeitos. Dependendo do paradigma experimental, tais estudos podem fornecer informações sobre a fisiologia da região a ser estimulada, os efeitos da doença, ou o mecanismo pelo qual o DBS estar trabalhando em que determinada configuração. Este artigo descreve uma abordagem geral para o teste os movimentos oculares sacádicos em pacientes Estimulação Cerebral Profunda.

Vários tipos diferentes de equipamentos de rastreamento ocular estão disponíveis. Para a pesquisa descrita neste protocolo a saccadometer portátil foi usado para gravar horizontais movimentos oculares sacádicos. Saccadometers portáteis têm a vantagem de não necessitar de apoio de cabeça (ver Figura 1), o que significa que as sessões são mais confortável para os pacientes com doença de Parkinson, especialmente para aqueles que sofrem com discinesias graves. O saccadometer usada aqui é leve e cerca de 5 cm de largura e 10 cm de altura. O measu saccadometerres movimentos do olho através da utilização de oculografia infravermelho directo: uma fonte de infra-vermelho e o sensor posicionado em frente da luz utilização canto medial reflectida a partir da córnea para determinar a posição de rotação do globo ocular, a intervalos de milissegundos. A fim de adquirir dados de boa qualidade para a análise deve saccadometer amostra a uma taxa de pelo menos 1 kHz com, pelo menos, uma resolução de 12 bits. No saccadometer usados ​​aqui os estímulos visuais foram três vermelhos 13 cd m ^-2 pontos de luz produzida por construída em lasers de baixa potência, cada ponto que subtende algumas 0,1 graus, com um ponto na linha média e os outros dois em ± 10 graus (ou seja, , para a direita e esquerda).

Figura 1. A Saccadometer. Cabeça montado saccadometer ligado a um elástico e que descansa sobre a ponte do nariz. Quatro lasers em miniatura projetar alvo visuals para uma superfície mate, e os movimentos dos olhos do participante são medidos pelos transdutores diferenciais de reflectância de infravermelhos no lado nasal de cada olho. À medida que os alvos a laser se mover com a cabeça, apoios de cabeça não são necessários. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Protocol

O comitê de ética local aprovou este estudo e informado consentimento foi obtido dos participantes, conforme detalhado abaixo na seção 1.

Consentimento 1. Participante

1. Proporcionar aos participantes uma folha informativa que explica em detalhe o que a sessão de testes irá incluir.
2. Depois que os participantes têm a oportunidade de ler e discutir quaisquer questões, preocupações ou outros assuntos relacionados à sua participação no estudo, percorrer o formulário de consentimento com eles, explicando cada ponto no formulário de consentimento e dando-lhes a oportunidade de fazer todas as perguntas eles poderiam ter. Peça ao participante para preencher o formulário.

2. Configurando o Saccadometer

1. Colocar o dispositivo sobre a cabeça do paciente, garantido por uma cinta elástica ajustável e que descansa sobre a ponte do nariz. Porque os estímulos mover exatamente com a cabeça, sem cabeça-contenção é necessária e o dispositivo é confortável de wear.
2. Peça ao paciente para se sentar em 1,5 m de uma tela fosca plana.
3. Certifique-se de que a iluminação ambiente é fraca para que os estímulos (manchas de luz vermelha) são claramente vistos.

3. gravação de uma sessão sacádica

Nota: Como um exemplo de um protocolo padrão que testa ambos prosaccades e antisaccades ⁸ é descrito aqui. Este protocolo consiste em cinco blocos: 60 prosaccades, 40 antisaccades x 3 e 60 prosaccades com um intervalo de 1 min entre os blocos. A sessão dura cerca de 40 min.

1. Configure o saccadometer de modo que para cada ensaio o alvo de fixação central é exibida para um frente-período aleatório de 1,0-2,0 segundos, após o que se extingue e um dos alvos periféricos aparecer, aleatoriamente para a direita ou para a esquerda ^9.
   Nota: Os três alvos são pontos de luz vermelha projetadas na tela na frente do participante (ver 2.2) por lasers de baixa potência construídas no saccadometer. A aut saccadometermuda omatically os lasers e desligam para display / extinguir as metas na sequência necessário.
2. Instruir o participante que o teste consiste em cinco blocos com um intervalo de um minuto entre blocos.
3. Antes do primeiro bloco instruir o participante a mover os olhos tão rapidamente e com precisão quanto possível para seguir o ponto vermelho que salta do centro para um lado ou para o outro e instruí-los a fazer isso 60 vezes.
4. Defina o saccadometer para gerar uma sequência de 60 ensaios. Pressione o botão no saccadometer para iniciar o primeiro bloco de tentativas (prosaccades).
5. Após a conclusão do primeiro bloco, deixar um intervalo de um minuto antes de o segundo bloco. Redefinir o saccadometer para gerar uma sequência de 40 ensaios, e para o fim de um gap minuto, instruir o participante para o próximo bloco de mover os olhos o mais rápido possível na direção oposta ao ponto vermelho, e explicar que eles vão ser obrigado a fazer isso 40 vezes. Comece o secbloco ond de tentativas (antisaccades).
6. Depois de se completar o segundo bloco, deixar mais 1 min lacuna, repetir a instrução no passo 3.5 e iniciar o terceiro bloco de tentativas (antisaccades).
7. Depois de se completar o terceiro bloco, deixar mais 1 min lacuna, repetir a instrução no passo 3.5 e iniciar o quarto bloco de tentativas (antisaccades).
8. Após a conclusão do quarto bloco, deixe mais 1 min lacuna, e explicar que, para o bloco final de testes de pedir aos participantes para mover os olhos tão rapidamente e com precisão quanto possível para seguir o ponto vermelho que salta do centro para um lado ou do outra, exatamente como eles fizeram no primeiro bloco.
9. Redefinir o saccadometer para gerar uma sequência de 60 ensaios, e iniciar o bloco final dos ensaios (prosaccades).

Figura 2. Tarefas movimento do olho. Illustrati esquemáticosem que mostra dois exemplos de tarefas sacádicos. A mancha azul sólida representa o alvo e o círculo azul pontilhada representa a área de fixação. ESQUERDA mostra uma tarefa prosaccadic onde o sujeito é solicitado a olhar para o alvo. DIREITO mostra um antisaccade onde o sujeito é convidado a olhar para longe do estímulo visual . Isto requer a inibição da resposta prosaccade mais natural e geração de uma sacada na direção oposta. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

4. Configurações profunda cerebral Estimulador

Nota: Para os participantes com estimuladores profundas do cérebro realizar os ensaios até agora com o sistema estimulador de execução como normal, ou seja, um conjunto de dados 'no estímulo' foi obtido. Teste agora precisa ser repetido com o sistema estimulador desligado (para os participantes controle saudáveis, sem sistemas de DBS esta secção não se aplicam).

1. Mudar o sistema DBS off. Faça isso por um corpo clínico treinado. Permitir 30 minutos antes do teste.
2. Repetir o teste sacádica (passos 3,2-3,9) para se obter um "fora estimulação 'conjunto de dados completo.
3. Mudar o sistema DBS novamente (novamente este deve ser feito por pessoal clínico devidamente treinados).

Análise 5. Os dados

Nota: Para os participantes com estimuladores profundas do cérebro realizar os ensaios até agora com o sistema estimulador de execução como normal, ou seja, um conjunto de dados 'no estímulo' foi obtido. Teste agora precisa ser repetido com o sistema estimulador desligado (para os participantes controle saudáveis, sem sistemas de DBS nesta secção não se aplicam).

1. Faça o download dos dados brutos do saccadometer a um computador para análise.
2. Usar o programa de software do saccadometer excluir saccades distorted pela pisca e movimentos de cabeça, e para calcular variáveis, incluindo latências sacádicos, velocidades de pico, e amplitudes.
   Nota: Os registros contaminados por movimentos da cabeça excessivas ou pisca são removidos automaticamente pelo software.
   1. Remover sácades com latência de menos de 80 ms ou superior a 1.000 ms.
      Nota: latência sacádica é calculado automaticamente, usando um algoritmo de detecção de saccade com base na velocidade e aceleração. O aparecimento de uma sacada é identificado como o ponto em que a velocidade do olho exceda um limiar de 5 graus / seg.

Results

A Figura 3 mostra um exemplo de trajectórias de movimento rápido dos olhos, do paciente da doença de Parkinson com um sistema de DBS núcleo subtalâmico implantado. Os dois gráficos mostram prosaccades do paciente com o sistema estimulador desligado (gráfico superior) e ligado (gráfico inferior). Cada traço nos gráficos mostra a trajetória de um único sacádicas, isto é, como a posição do olho em graus de distância da linha média (eixo y) varia como uma função do ...

Discussion

O fator mais crítico na obtenção de dados sacádica boa qualidade é garantir que as instruções dadas para o participante são claras e precisas. Por exemplo, se as instruções para a tarefa antisaccadic não são completamente claras, o participante é susceptível de executar prosaccades vez. As gravações também podem ser estragado se o participante não pode ver claramente os estímulos ou a saccadometer não pode medir com precisão a posição dos olhos. Assim, se os dados parecem ser de baixa qualidade o experimentador deve ver...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Dispositivo sacadômetro	Ober Consulting Polônia
Computador com ambiente
Software, Medidor de latência para baixar os dados brutos do sacadômetro