Intra-operatórias tarefas comportamentais em humanos Awake Submetidas à Cirurgia de Estimulação Profunda do Cérebro

A cirurgia de estimulação cerebral profunda oferece a oportunidade de examinar a informação e a codificação no cérebro humano acordado por meio da realização de gravações com microeletrodos em um sujeito humano executando tarefas comportamentais. Neste exemplo, os sujeitos são primeiramente treinados para jogar um jogo simples de cartas no computador que envolve risco e recompensa. Em seguida, o sujeito é preparado para a cirurgia de estimulação cerebral profunda, e microeletrodos são inseridos na região-alvo do cérebro.

Neste caso, os sinais neuronais do NST são registrados enquanto o sujeito repete o jogo de cartas. Os dados coletados demonstram o papel do risco e da recompensa na codificação neuronal no NST.

Embora os objetivos do experimento possam variar dependendo do núcleo alvo da cirurgia. Inicialmente, a DVS era usada principalmente para distúrbios motores, como tremor essencial, Parkinson e distonia. Mais recentemente, está sendo utilizada para a investigação de tratamentos para depressão e transtorno obsessivo-compulsivo.

Essa tarefa possui, portanto, um componente motor e um componente dependente da recompensa, que registramos no núcleo subtalâmico, localizado na interface entre os sistemas motor e límbico do cérebro. Esta paciente é uma senhora de 62 anos. Ela é muito simpática.

Ela tem a doença de Parkinson há cerca de 10 anos. E apresenta os sintomas clássicos da doença de Parkinson, ou seja, tem tremor, rigidez e lentidão de movimentos. Inicialmente, ela respondeu bem aos medicamentos, o que é um bom sinal, pois indica que se trata de fato da doença de Parkinson.

Mas, como ocorre em muitos casos, com o tempo, os medicamentos tornam-se menos eficazes. Basicamente, os pacientes tornam-se instáveis, de modo que, quando ela está sem seu medicamento, apresenta sintomas realmente graves da doença de Parkinson. Ela apresenta tremores, rigidez e lentidão.

E então, quando ela toma seus medicamentos, ela desenvolve um tipo diferente de distúrbio do movimento chamado discinesia, em que se movimenta em excesso, e não há mais um ponto intermediário equilibrado. Por isso, a cirurgia é uma intervenção útil nesse momento, pois elimina de fato essas intensas flutuações de "ligado-desligado" e mantém as pessoas em um estado estável. Basicamente, elas ficam no seu melhor estado, como estariam com a medicação.

Esse é, portanto, o objetivo da cirurgia. E na própria cirurgia, dois locais no cérebro são potencialmente acessíveis. Um deles é chamado de núcleo subtalâmico.

Isso é o que fizemos hoje. E um é chamado de globo pálido interno. E ambos são aproximadamente igualmente eficazes.

E a forma como os segmentamos é usando uma combinação de métodos. Fazemos isso estereotaxicamente utilizando TC e RM. Segmentamos esses alvos usando a fisiologia por meio de gravações com microeletrodos.

E esses são muito importantes porque nos indicam, você sabe, com uma resolução espacial muito alta, os limites do núcleo, os limites superior e inferior, e não apenas isso, mas também para garantir que estamos na parte motora do núcleo. E, por fim, quando inserimos o eletrodo permanente, realizamos novamente a estimulação através dele para confirmar que estamos no local correto. Portanto, estamos realizando todas essas etapas de qualquer forma para tratar o paciente.

E nós estamos fazendo os registros com microeletrodos de qualquer forma, então isso simplesmente nos oferece uma janela de tempo enquanto os microeletrodos estão posicionados. É uma oportunidade rara de estudar a atividade neuronal no cérebro humano, algo que de outra forma nunca teríamos chance de fazer. Mas como já estamos realizando esse procedimento e os eletrodos já estão no lugar, aproveitamos para dedicar mais 20 a 30 minutos extras a realizar, você sabe, quaisquer experimentos que nos interessem.

E normalmente são experimentos relacionados ao controle motor, à tomada de decisão, à aprendizagem ou à motivação, esse tipo de coisa. E quase todos envolvem, como se sabe, uma tela de vídeo e alguma tarefa simples realizada pelo sujeito, seja mover um joystick ou pressionar um botão, esse tipo de atividade. Registros com microeletrodos são rotineiramente realizados durante cirurgias de estimulação cerebral profunda, proporcionando uma oportunidade única aos pesquisadores de registrar padrões de disparo de neurônios individuais enquanto um sujeito realiza uma tarefa comportamental.

Como parte da cirurgia de estimulação cerebral profunda para a doença de Parkinson, os pacientes são internados no hospital um dia antes da operação. Isso proporciona a oportunidade de treinar o paciente na tarefa comportamental antes do procedimento cirúrgico. Essa oportunidade mostra-se extremamente útil quando a tarefa comportamental é cognitivamente desafiadora.

No dia da cirurgia, um equipamento portátil de comportamento é montado para o sujeito, no caso de este ter sido treinado na noite anterior à cirurgia, sendo o equipamento equipado exatamente com a mesma tarefa comportamental que o sujeito deverá realizar durante o procedimento cirúrgico. Neste exemplo, pede-se ao sujeito que jogue um jogo de cartas semelhante ao jogo de guerra. No jogo, o sujeito aposta 20 ou 5, indicando se acredita que sua carta é maior do que a do computador.

O objetivo desta tarefa é avaliar o papel da recompensa e do risco na codificação neuronal em um núcleo oftálmico como forma de reduzir as combinações potenciais e os confundidores resultantes. Apenas cartas de número par de um único naipe são utilizadas em cada tentativa. Inicialmente, o sujeito vê uma tela que mostra sua carta distribuída aleatoriamente e o verso da carta desconhecida do computador.

A tela então exibe duas opções de aposta, 5 e 20, com base na força relativa da carta dele(a). O sujeito indica a aposta pressionando um botão, após o que a tela mostra a carta dele(a) e a carta revelada do computador. A tela final mostra explicitamente o valor ganho ou perdido.

Permite-se que o participante jogue o jogo até que compreenda completamente as regras e consiga atuar em um nível confortável. Agora vejamos a configuração experimental intraoperatória no dia seguinte ao treinamento. Uma vez que o participante tenha sido posicionado na mesa cirúrgica, traga o equipamento contendo os dispositivos de aquisição de dados comportamentais e processamento de sinais para dentro da sala de operações.

O posicionamento do equipamento deve levar em consideração o fluxo de trabalho normal e as questões relacionadas à esterilidade no ambiente da sala cirúrgica. Como os componentes desses equipamentos são montados e desmontados em cada sessão de gravação, é fundamental verificar todas as conexões dos aparelhos. Portanto, à medida que cada componente é conectado ao sistema de aquisição de dados, verifique a integridade dos dados no primeiro inicialização, bem como dos equipamentos de aquisição e processamento de sinais.

Conecte as saídas do equipamento de processamento de sinal às entradas do equipamento de aquisição. Neste estudo, são adquiridos três canais de potenciais de ação extracelulares, correspondentes a três eletrodos orientados para o paraag que são avançados no cérebro do sujeito durante a cirurgia. Ligue os amplificadores um por vez para garantir que o sistema de aquisição esteja captando os sinais.

Usando um adaptador apropriado, fixe o monitor à mesa do centro cirúrgico em uma posição confortável para visualização. Certifique-se de que a mão do sujeito esteja posicionada confortavelmente para operar o dispositivo de entrada utilizado durante a tarefa. Agora, inicialize o sistema comportamental e verifique se os marcadores de eventos comportamentais estão sendo capturados pelo equipamento de aquisição.

Inicie a tarefa comportamental e permita que o sujeito realize algumas tentativas da tarefa durante esse período. Certifique-se de que o sistema de aquisição esteja capturando as entradas da caixa de botões e os marcadores comportamentais gerados pelo aparato comportamental com a experimentação configurada e pronta para uso. Vejamos como os neurônios do NST são isolados cirurgicamente.

Os objetivos da cirurgia são posicionar eletrodos crônicos de DBS na região motora do NTS. O direcionamento é realizado por meio de uma combinação de imagens estereotáxicas e gravações neurofisiológicas no Hospital Geral de Massachusetts. Aplica-se um arcabouço estereotáxico Cosman Roberts Wells com uma estrutura de referência e realiza-se uma tomografia computadorizada de cabeça.

A TC com marcadores fiduciais é fusionada com uma ressonância magnética cerebral volumétrica previamente obtida em um sistema de neuro-navegação. Na sala de operações, o paciente é posicionado confortavelmente em posição semi-reclinada e preparado e coberto com campo cirúrgico utilizando técnica cirúrgica padrão. As coordenadas do núcleo subtalâmico esquerdo são programadas no arcabouço, que é então posicionado sobre o paciente.

O cirurgião incide e retrai a pele. São feitos furos de trepanação e é criada uma pequena abertura na dura-máter. A cânula ligada a um microdrive é posicionada e avançada até que a ponta da cânula esteja 25 milímetros acima do alvo.

Uma vez que as cânulas são avançadas para o cérebro, os estiletes internos são removidos e substituídos por microeletrodos de alta impedância. Os equipamentos de processamento de sinal, pré-amplificadores, são conectados a cada eletrodo e o canal diferencial de referência é conectado à cânula externa. No equipamento de processamento de sinal, ligue os amplificadores e avalie o sinal extracelular.

Além disso, verifique a impedância de cada eletrodo antes de avançá-lo mais profundamente no cérebro. Após todas as verificações, o cirurgião avança lentamente o eletrodo em etapas de 0,05 a 0,4 milímetro para dentro do cérebro. Os eletrodos são avançados a partir de 25 milímetros do alvo calculado em direção ao S St N. Essa trajetória faz com que o eletrodo atravesse o núcleo oito da CAU, o tálamo, a zona Serta e, finalmente, o SDN.

Uma vez que os eletrodos tenham penetrado no SDN, o fisiologista manipula as extremidades contralaterais do paciente como forma de verificar se o sinal neuronal é responsivo ao movimento. Quando o cirurgião e o pesquisador estiverem satisfeitos com a posição dos eletrodos, a tarefa comportamental pode ser iniciada. Antes de iniciar a tarefa comportamental, é importante documentar a profundidade dos microeletrodos e a responsividade motora do neurônio isolado.

Em seguida, oriente o sujeito de que a tarefa será iniciada. Certifique-se de que a caixa de botões ainda está posicionada confortavelmente e de que o monitor está completamente visível. Inicie a aquisição de dados e registre a atividade de linha de base por pelo menos um minuto antes de começar a tarefa comportamental.

Enquanto o sujeito realiza a tarefa, é importante monitorar os dados capturados. Diante de qualquer interrupção na aquisição, a tarefa deve ser interrompida e o problema corrigido. As tarefas podem ser realizadas várias vezes para cada profundidade.

No NTS, no entanto, a gravação experimental é limitada a 30 minutos para evitar desconforto ao paciente e prolongamento indevido da cirurgia. Vamos começar. Você pode abrir e fechar sua mão para mim usando uma lâmpada?

Bom. Vamos movimentar seu pé direito. Repita após mim. Eu amo pudim de tapioca.

Eu peguei um trem para Topeka, Kansas. Aqui são apresentados resultados representativos de um único neurônio do Núcleo Subtalâmico (STN) registrado durante o jogo de guerra. Os RAs são representados centrados em quatro épocas comportamentalmente relevantes da tarefa: o período de fixação antes da apresentação de cada tentativa do cartão do sujeito, o aperto do botão indicando a aposta do sujeito e a apresentação do cartão do computador, mostrados aqui como histogramas de frequência por tempo de estímulo.

Este neurônio não responde de forma robusta à apresentação do cartão do sujeito, mas aumenta significativamente sua atividade elétrica ao redor do momento em que o botão é pressionado. Essa atividade persiste até que o cartão do computador seja revelado, momento em que a atividade elétrica diminui para os níveis de linha de base. Esta técnica mede as respostas de neurônios individuais no cérebro.

Ele também pode ser combinado com outras medidas de atividade neural, que avaliam respostas de população, como a imagem por ressonância magnética funcional ou a magnetoencefalografia. Uma vez dominada, essa técnica pode ser configurada e implementada na sala de operações em 25 minutos. Trabalhar com seres humanos na sala de operações apresenta várias limitações, incluindo o tempo de assepsia e, mais importante, o bem-estar do paciente.

Portanto, tenha esses pontos em mente durante todas as fases do estudo.