Интраоперационных поведенческие задачи в Пробудитесь Люди Проходят Глубокая стимуляция мозга хирургии

Краткое содержание

Глубокая стимуляция головного мозга хирургия предлагает уникальную возможность для изучения кодирования информации в человеческом мозгу проснуться. Эта статья описывает интраоперационных методов, используемых для выполнения когнитивных и поведенческих задач одновременно приобретение физиологических данных, например, ЭМГ, единичные нейронной активности и / или местных потенциалов области.

Аннотация

Глубокая стимуляция мозга (DBS) это хирургическая процедура, которая направляет хроническим, высокой частоты электрической стимуляции для конкретных целей в мозг через имплантированные электроды. Глубокая стимуляция мозга была впервые реализована в качестве терапевтической модальности по Benabid и соавт. В конце 1980 года, когда он использовал эту технику, чтобы стимулировать вентральной промежуточного ядра таламуса для лечения тремора ^1. В настоящее время процедура используется для лечения пациентов, которые не в состоянии адекватно реагировать на медикаментозное лечение таких болезней, как болезнь Паркинсона, дистония, и эссенциальный тремор. Эффективность этой процедуры для лечения болезни Паркинсона была продемонстрирована в хорошо питается, рандомизированных контролируемых исследований ^2. В настоящее время Администрация США по продовольствию и лекарствам одобрил DBS для лечения пациентов с медицинской огнеупорных эссенциальный тремор, болезнь Паркинсона и дистония. Кроме того, DBS в настоящее время изучается для лечения других психических и неврологических расстройств, таких как обсессивно-компульсивное расстройство, большого депрессивного расстройства и эпилепсия.

DBS имеет не только было показано, чтобы помочь людям, улучшая качество их жизни, она также предоставляет исследователям уникальную возможность изучить и понять человеческий мозг. Микроэлектродные записи обычно выполняются во время операции DBS в целях повышения точности анатомической ориентации. Стрельба моделей отдельных нейронов могут быть записаны в то время как субъект совершает поведенческие задачи. Ранние исследования с использованием этих данных сосредоточены на описательные аспекты, включая стрельбу и взрыв ставок, а частота модуляции ^3. Более поздние исследования были сосредоточены на когнитивные аспекты поведения по отношению к активности нейронов ^4,5. Эта статья даст описание интраоперационных методов, используемых для выполнения поведенческих задач и записи данных с помощью нейронных пациентов во время бодрствования случаях DBS. Наша экспозиция процесс приобретения электрофизиологические данные будут освещать текущие возможности и ограничения интраоперационного эксперименты над человеком.

Протокол

1. Тема Набор и Согласия

1. После клинической оценки и согласия на subthalamic ядра (STN) глубокая стимуляция мозга (DBS) для огнеупорных болезни Паркинсона, информация каждого пациента рассматривается для того, чтобы определить, если он / она соответствует критериям для интраоперационного исследования (Определено в Институциональные Обзор Совет директоров одобрил протокол в Massachusetts General Hospital).
2. Если будет установлено, что субъект соответствует критериям исследования, врач член исследовательской группы (не оперирующего хирурга) приближается к пациенту, чтобы обсудить возможность участия в исследовании.
3. Форму информированного согласия на участие в исследовании рассмотрены и затем объяснил тему. Важно отметить, что объяснение исследовании подчеркивается, что участие в исследовании является добровольным и что в любой момент он / она имеет возможность отказаться от своего участия. Более того, она подчеркнула, что затем их обсуждение к участию или сняться в исследовании не влияет на медицинскую помощь, он / она получит.
4. Если будет установлено, что субъект осознает и соглашается принять участие в исследовании, он / она подписывает утвержденные информированное согласие и участие в исследовании.

2. Поведенческие установки Обучение и Риг

1. В рамках DBS хирургии для болезни Паркинсона, предметы поступают в больницу за день до операции. Таким образом, это дает возможность тренироваться на предмет поведенческих задач. Это обучение имеет важное значение, поскольку она обеспечивает срок, в течение которого субъект может научиться выполнять задачи и развивать комфорт со своими правилами, удаляя "эффект обучения" смешивает (см. обсуждение).
2. Портативный поведенческие установки доводится до больничной палате субъекта в ночь перед операцией.
3. Это установка оснащена точно такой же поведенческие задачи, которую субъект обязан выполнять в день интраоперационного исследования.
   1. В этом примере Испытуемому предлагается играть карточная игра похожа на игру в "войну". В этой игре, субъект обязан ставку (либо $ 20 или $ 5), является ли его или ее карты выше, чем у компьютера. Цель этой задачи состоит в анализе роли вознаграждения и риска на нейронных кодирования в STN. Для того, чтобы стимулировать предмет им говорят, что они будут оплачиваться часть своих выигрышей.
   2. Как средство снижения возможных комбинаций (и в результате смешивает), только четные карты одной масти использовали (2, например, 4, 6, 8 и 10 пик). Таким образом, потенциальные результаты и ожидания задача может быть легко вычисляются и анализируются.
   3. В каждом испытании, субъект впервые видит экран изображающие их случайно сдаются карты, и обратной стороне карты неизвестного компьютера. На экране показаны два варианта ставки, $ 5 и $ 20. На основании относительной силы его / ее карты, субъект указывает ставку с кнопки, после чего на экране отображается его / ее карты и карты показали компьютера. На последнем экране явно изображает количество выиграли или проиграли.
4. Субъект имеет право играть в игру, пока они не в полной мере понять правила игры и выполнять на комфортном уровне.

3. Интраоперационных - Экспериментальная установка

1. Как только вопрос был расположен на операционном столе, установка содержащие поведенческих, сбора данных и оборудования обработки сигналов приводится в операционной. Риг позиционирования необходимо учитывать нормального потока работы и стерильность вопросов, связанных с операционной обстановке.
2. Как компоненты этих установок монтируется и демонтируется для каждой сессии записи, жизненно важно, чтобы проверить все оборудование связи. Поэтому, как каждый компонент подключен к системе сбора данных, необходимо проверить целостность данных. Эти процедуры должны быть сделано в начале операции, чтобы предотвратить того, чтобы устранить эти проблемы во время критических время записи.
   1. Во-первых, загрузки и приобретения оборудования обработки сигналов. Соедините выходы установки обработки сигналов на входы приобретении буровой установки. В случае данного исследования, мы будем приобретении три внеклеточного потенциала действия каналов, соответствующих трем пара-sagittally ориентированные электроды, которые будут выдвигаться в мозг испытуемого во время операции. Включите один усилителей на время, чтобы убедиться, что система сбора приобретает сигналов.
   2. Безопасный монитор или таблицы в удобном положении просмотра с помощью соответствующего адаптера.
   3. Если устройства ввода (джойстик, кнопки окно, клавиатура и т.д.) используется, положение этого устройства, обращая внимание на латерализации по отношению к стороне мозга, из которого записи будут получены. Убедитесь, что стороны субъекта удобно расположены для работы устройства ввода. Рассмотрим просят анестезиолога, чтобы сecure монитор импульса оксигенации с другой стороны, чтобы обеспечить правильную работу устройства. В этой задаче мы используем кнопок.
   4. Загрузка поведенческие системы и убедиться, что поведенческие маркера событий в настоящее время захвачены приобретении буровой установки.
   5. Начало поведенческих задач и позволяют субъекту играть несколько испытаний задачей. В течение этого времени, убедитесь, что система сбора захватывает кнопки окно входов и поведенческих маркеров порожденных поведенческие установки.
   6. Если все соединения являются функциональными, остановить поведенческих задач и приобретение буровой установки.

4. Выделение Subthalamic нейроны ядра

1. Цели операции являются местом хронической DBS ведет в двигательной области STN. Данное размещение достигается за счет сочетания стереотаксической изображений и neuophysiological записей.
2. Информация о планировании и стереотаксической хирургической процедуры, сам, конечно, отличаются в разных учреждениях, но общий процесс аналогичен. В нашем институте, Косман-Робертс-Уэллс кадра стереотаксической и доверительное клетке применяется и глава компьютерной томографии получено. КТ с fiducials сливается с ранее полученными объемного МРТ головного мозга на нейро-система навигации (StealthStation, Medtronics, Миннеаполис, Миннесота, или BrainLab VectorVision, Фельдкирхен, Германия). Координаты область мозга цели (STN в данном случае), преобразуются в основе кадров координат. В операционной, пациент комфортно располагается в полу-лежа, и нацелен и задрапированные использованием стандартной хирургической техники. Координаты левого STN запрограммированы в кадр, который позиционируется на пациента. Кожа надрезанные и отказался. Берр отверстия размещены, и небольшой дурального открытия создали. Канюли придается Microdrive были приведены в положение и продвинутых до кончика канюли на 25 мм выше цели.
3. Как только канюли являются передовыми в мозг, внутренние стилеты удаляются и заменяются с высоким импедансом (0,3 - 1 мега-Ом) микроэлектродов (FHC, Боудойн, ME). Установка обработки сигналов в предварительных усилителей соединены друг с электродом и каналом дифференциальных ссылкой подключен к внешней канюли.
4. На обработки сигналов установки усилителей включены и внеклеточного сигнала оценивается. Кроме того, сопротивлением для каждого электрода проверяется, прежде чем перейти далее в мозг.
5. Хирург достижений электроды медленно (0.05-0.4 мм шагов) в мозг. Электроды передовых начиная 25мм от расчетной целевой к STN. Эта траектория приводит к электроду, проходящих через хвостатого ядра, таламуса, зона INSERTA, и, наконец, в STN.
6. Как только ввели электроды STN, физиолог манипулирует контралатеральной конечности пациента, как средство установления ли нейронов сигнал двигателя отзывчивым. Когда хирург и экспериментатор устраивает положение электродов, поведенческая задача может быть запущен.

5. Сбор данных

1. Перед началом поведенческие задачи, важно, чтобы документ глубину микроэлектродов и отзывчивость двигателя изолированного нейрона (ы).
2. Тема то учил, что задача будет начать. Убедитесь, что кнопка окна по-прежнему удобно расположены и что монитор полностью видна.
3. Начало сбора данных и приобрести базовые деятельности в течение не менее 1 минуты до старта поведенческой задачи.
4. Как субъект выполняет задачу, важно контролировать захваченные данные. С любой сбой в приобретении, задача должна быть остановлена ​​и проблема устранена.
5. В текущем исследовании, Испытуемому предлагается выполнить 120 испытаний для каждой глубины STN.
6. Задачи могут быть выполнены несколько раз для каждой глубины в STN, однако, Есть ограничения на продолжительность этих интраоперационного исследования (описано далее в обсуждении). Мы ограничиваем экспериментальных время записи до 30 минут, чтобы предотвратить пациента дискомфорт и чрезмерное продление операции. Кроме того, субъект имеет возможность отказаться от дальнейшей записи в любое время, в этом случае поведенческая задача останавливается и возобновляется операция.
7. Как только исследование завершится, данные сохранены и архивируются для последующего анализа.

6. Анализ данных

1. Во-первых, нейронные сигналы подвергаются дискриминации на отдельные временные метки шип с использованием коммерчески доступного программного обеспечения.
2. Поведенческие коды задачу, затем разбирается и нейронной активности метки выравниваются с помощью кода сценария в Matlab.

Представитель Результаты:

На рисунке 1 представлены результаты представитель от одного нейрона STN записан во время войны в игре, описанной выше. Тсоч панелей изображают растров в центре на четырех поведенчески соответствующих эпох задачи: фиксация период до каждого испытания, презентация карты объекта, нажмите кнопку с указанием субъекта пари, а также презентация карты компьютера. Нижней панели представляют binned (50 мс бункеров) пригородных стимулом время гистограмм (PSTHs). Этот нейрон не реагирует мощного отпора презентация карты субъекта, но и увеличивает ее стрельбы значительно вокруг кнопки. Эта деятельность продолжается до заполнения карты памяти компьютера показало, в какой момент стрельбы снижается до базового уровня.

Рисунок 1. Представитель STN нейрона. Растры (верхняя панель) и пригородных стимулом время гистограмм (PSTHs) в центре поведенчески соответствующих эпох изображены на представителя одного STN нейрона. Это стрельбы нейрона значительно возрастает во времена кнопки с указанием субъекта ставку.

Обсуждение

Глубокая стимуляция мозга хирургия предлагает прекрасную возможность для изучения активности отдельных нейронов в человеческом мозге. На сегодняшний день эта возможность разрешена многочисленные описательные исследования, которые характеризуют деятельность различных глубоких ядер. В последнее время интраоперационного задачи стали более сложными для того, чтобы решать различные аспекты поведения и познания. Целью текущего протокола заключается в обеспечении руководства для реализации успешных интраоперационного поведенче...

Материалы