Методическая статья

Комбинированные инвазивной Подкорковые и неинвазивный поверхности нейрофизиологической Записи для оценки когнитивных и эмоциональных функций у человека

10.6K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/53466

⸱

19 мая 2016 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Institute of Clinical Neuroscience and Medical Psychology, Medical Faculty, Heinrich-Heine-University, 2Department of Neurology, Center for Movement Disorders and Neuromodulation, University Clinic Düsseldorf, 3Department of Neurosurgery, Functional Neurosurgery and Stereotaxy, Center for Movement Disorders and Neuromodulation, University Clinic Düsseldorf

В этой статье

Краткое содержание

Настоящий протокол направлен на оценку когнитивно-эмоциональных функций в базальных ганглиях путем одновременной нейрофизиологической регистрации потенциалов локального поля и неинвазивной активности коры головного мозга (ЭЭГ). Примером этой процедуры является использование парадигм, включающих речевые стимулы с эмоциональным подтекстом, или задачу Фланкера, включающую когнитивный контроль.

Аннотация

Несмотря на успех в применении неинвазивной электроэнцефалографии (ЭЭГ), магнито-Энцефалография (МЭГ) и функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) для извлечения важной информации о механизме человеческого мозга, такие методы остаются недостаточными для предоставления информации о физиологической процессы, отражающие когнитивные и эмоциональные функции на подкорковых уровне. В связи с этим современные инвазивные клинические подходы в организме человека, такие как глубокая стимуляция мозга (DBS), предлагают огромную возможность для записи подкорковой активности мозга, а именно локального поля потенциалов (LFPs), представляющих согласованную деятельность нервных узлов из локализованных базальных ганглиев или таламуса областей , Несмотря на тот факт, что инвазивные подходы в организме человека применяются только после того, как по медицинским показаниям и, таким образом, записанные данные соответствуют измененными цепей мозга, ценную информацию можно получить о наличии неповрежденных функций мозга по отношению к колебательным мозгаактивность и патофизиологии расстройств в ответ на экспериментальных когнитивных парадигм. В этом направлении, все большее число исследований DBS у пациентов с болезнью Паркинсона (PD) цель не только двигательные функции, но и более высокие процессы уровня, такие как эмоции, принятие решений, внимания, памяти и чувственного восприятия. Недавние клинические исследования также подчеркивают роль DBS в качестве альтернативного метода лечения в психоневрологических расстройств, начиная от обсессивно-компульсивного расстройства (ОКР) хронических расстройств сознания (DOC). Следовательно, мы обратили внимание на использование комбинированных инвазивных (LFP) и неинвазивных (ЭЭГ) записей головного мозга человека при оценке роли корково-подкорковых структур в когнитивной и эмоциональной обработки корыто экспериментальных парадигм (например. Речевые раздражители с эмоциональной коннотацией или парадигм когнитивного контроля, такие как задачи Flanker), для пациентов, проходящих лечение DBS.

Введение

Инвазивные нейрофизиологические записи в организме человека датируются семенных исследований , ориентированных на electrocorticographic записи из корковых и мозжечок во время хирургии эпилепсии и исследования опухоли 1. Важнейшим этапом в дальнейшем развитии такой процедуры записи было введение стереотаксической техники , которая обеспечивает безопасный и эффективный доступ к глубинным структурам человеческого мозга 2. Помимо клинического лечения, мозговые инвазивные подходы в организме человека дают достаточно уникальную возможность для изучения функции мозга в связи с записанными эталонами активности модулированных внешними стимулами, в частности в случае внутри- и послеоперационных инвазивных записей у пациентов, подвергающихся стимуляции глубокого мозга (DBS ) процедуры. Применимость и полезность DBS была решена в различных неврологических и психоневрологических заболеваний, от болезни Паркинсона (БП) с обсессивно-компульсивное расстройство (ОКР) или условия, такие как CHRONIC расстройства сознания (DOC).

В частности, DBS был применен при лечении болезни Паркинсона 3,4,5, эссенциальный тремор 6, первичная / обобщенная сегментарный дистонии 7,8,9, болезнь Хантингтона 10,11, резистентных к лечению депрессии-12,13, никотин и алкогольной зависимости 14, болезнь Альцгеймера 15,16, синдром Туретта 17 и хроническое расстройство сознания (DOC) 18,19,20.

В рамках нейропсихиатрии, DBS является утвержденным / маркировку СЕ для лечения обсессивно-компульсивного расстройства (ОКР) ориентации передней конечности внутренней капсулы (Алик) и используется таргетирования вентральной капсула / вентральном стриатуме / вентральной хвостатого (VC / В.С.), прилежащем ядре (NAC) и гипоталамический ядро (STN) 21. Что касается DBS в OCD 22, недавние исследования подчеркивают роль STN в механизм компульсивное проверкиING путем использования памяти на основе парадигм-23,24,25.

Обращает на себя внимание, модуляция активности мозга под влиянием парадигм с познавательной и эмоциональной коннотацией было подчеркнуто в DOC 26,27,28,29. Таким образом, DBS выделяется не только в качестве перспективного лечения хронического DOC, но и в качестве клинической процедуры, что открывает возможность изучения модуляции подкорковой деятельности путем регистрации локальных потенциалов поля (LFP) из центральных областей таламуса внутри- и пост- оперативно.

В DBS, нейрохирургические имплантация электродов на основе стереотаксической техники, что безопасно приходится мозга анатомических ограничений, в то время как стимуляция пациента настраивается через интраоперационных тестов импульсной стимуляции. Послеоперационный запись LFP возможно после первоначальной имплантации DBS электродов и перед интернализации импульсного генератора. В частности, настоящее протокол Centered на послеоперационные записей.

В сочетании с LFPs, одновременная запись корковой активности мозга может быть достигнуто, например , с помощью неинвазивной электроэнцефалографии (ЭЭГ) или магнитоэнцефалографии (МЭГ) 30,31. Эти два неинвазивные методы поддерживаются благодаря своим отличным временным разрешением. В то время как МЭГ менее подвержен влиянию , чем EEG черепно эффектов 32, электроэнцефалограмма появляется предпочтительным , так как он менее подвержен влиянию артефактов , вызванных металлическими имплантатами и движений головы и его можно использовать при прикроватные пациента 33. При одновременной регистрации активности мозга корково-подкорковой (LFP и EEG / МЭГ) в ответ на приложенные эмоционально-когнитивный парадигм, разные соотношения между колебаниями мозга и поведения могут быть созданы на основе частотно-временного анализа связывания 34. В свою очередь, такие модели могут привести к потенциальным биомаркеров индивидуализированной когнитивных пациента и эмоциональных состояний и Оptimization параметров обработки с учетом индивидуальных параметров.

Следующие цели протокола инвазивные и неинвазивные нейрофизиологические записи в организме человека для оценки когнитивной и эмоциональной функции, в частности, на корковых и подкорковых уровне (ЭЭГ и LFPs).

Во-первых, нейрофизиологические шаги записи, показанные в ролике, который сопровождает настоящий протокол, соответствует записи с примера пациента с расстройством движения, который выполняет так называемую задачу Flanker (пример 1).

Во- вторых, шаги в протоколе обсуждаются, сосредоточив внимание на методологии и результатов анализа образцов , взятых из опубликованного примера DBS при хроническом DOC 26 (пример 2).

Эти два примера подчеркивают применимость предлагаемого протокола к DBS лечение пациентов с различными нарушениями и различных экспериментальных парадигм.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Процедура DBS и инвазивные записи были одобрены комиссией по этике университетской клинике Дюссельдорфа, Германия.

1. Экспериментальная Paradigm Дизайн и Согласие пациента

Примечание: Разработка экспериментальной парадигмы или выбрать существующую экспериментальную парадигму для целевой когнитивной / эмоциональный аспект интереса.

  1. Выбор пациентов, которые будут проходить DBS-лечение. Спросите, есть ли DBS-пациент отвечает критериям включения в исследования. Если да, то получить подписанное информированное согласие от пациента и / или этической комиссии (если это применимо) осуществлять послеоперационную запись и применение соответствующей когнитивной парадигмы.
    Примечание: Послеоперационный запись происходит на следующий день после того, как начальная операция DBS проводится для DBS электрода имплантации (вместе с их соответствующим овнешнения из головы с помощью специальных кабелей) и перед второй операции имеет место гegarding постоянной имплантации DBS электродов и стимулятора.
    1. В задаче Flanker (пример 1), получить подписанное информированное согласие от пациента с расстройством движения (например. Хантингтона или болезнь Паркинсона), чтобы провести послеоперационную запись. Цель эксперимента Flanker заключается в проверке способности пациента для адаптации к ошибкам поведения и определить, каким образом такая адаптация отражается на мозг колебательной активности в корковых и подкорковых уровне.
      Примечание: Выбор пациента продиктовано когнитивного механизма, который будет рассматривать и расстройства пациента. В DBS-DOC прецедентным пример (пример 2), был выбран Пациентка DOC, который страдал от черепно-мозговой травмы в возрасте 38 лет. Из-за 'состояния пациента предельного информированное согласие, лечение DBS и экспериментальное участие было одобрено исключительно местной комиссии по этике. Основной целью записи DOC послеоперационной было определить, является лифункция мозга по отношению к когнитивно-эмоциональной обработки была еще цела у пациента с таким тяжелым расстройством сознания.
  2. Выбор между типом стимула, который будет представлен (слуховые, зрительные). Определить порядок предъявления стимула (блок или смешанный дизайн). Выберите длительность стимула, в интервал раздражитель (МСИ) и число испытаний.
    1. В качестве практического примера выполнить задачу Flanker (пример 1, рис 1А), чтобы изучить способность адаптироваться поведение в ответ на совершение ошибок реагирования. Эта задача состоит из зрительных стимулов (фланкированные наконечники стрел расположены вертикально).
    2. Фланговых целевой стимул (стрелолист в центре) двумя соседними стрелками (выше и ниже цели) указывают либо в том же (совместимый) или противоположной (несовместимого) направлении, дополнительно рассмотреть остановки испытаний (круг в центре).
    3. Представить цель влево или вправо, и попросить участника нажать РезКнопка Понс с их левым или правым большим пальцем. В упорных исследований, инструктировать участников не отвечать. Присутствуют фланкеры 200 мс до цели. Отображение цели на 300 мс и установить отклика стимула-интервала до 2000 мс (прошедшее время обозначается звуковому сигналу). Представить в общей сложности четыре блока 120 стимулов каждый в этой задаче. Присутствует совместимый (60%), несовместим (20%) и стоп-проб (20%) раздражители случайным образом.
      Примечание: Это значение для стимула-интервала была выбрана, чтобы избежать большого количества пропущенных испытаний при рассмотрении больных с ограниченными возможностями двигателя. Фланкеры и цели были выключены одновременно. Пациентам было дано указание как можно быстрее реагировать.
      Примечание: В DBS-DOC прецедентным пример (пример 2, Фигура 1В), экспериментальная парадигма состояла из нейтрального , не-адресации и знакомой адресации речи раздражители 26 в блочном исполнении . Длительность стимула была установлена-до 4 сек (с рандомизированном 4 5 сек интер-стимулирующего интервала). TOTаль 80 испытаний на каждое условие были рассмотрены в этой парадигме (рис 1B).
  3. Envision физические ограничения и потребности пациента в записи послеоперационного настройки. В частности, определить, является ли пациент в состоянии использовать клавиатуры компьютера, рассматривая наличие чрезмерных движений хорея (болезнь Хантингтона) или тремор (болезнь Паркинсона).
    1. Убедитесь, что пациент находится в состоянии видеть монитор (как местного анестетика или стереотаксической рамы головки, примененного во время операции DBS может быть причиной набухания в лицо и вокруг глаз) и удобно сидеть во время проведения всего эксперимента. Не проводите эксперимент, если пациент не отвечает этим условиям.

2. Установка для послеоперационной подкорковых (LFPs) и поверхности (EEG) Recordings

  1. Настройка EEG оборудования (см Материалы в дополнительных файлах) в комнате шздесь эксперимент будет проводиться. Подключите компьютер записи к системе ЭЭГ. Запустите программное обеспечение для записи ЭЭГ (см "материалы" в дополнительных файлах).
  2. Нажмите кнопку "Файл" и затем "новое рабочее пространство", чтобы определить рабочее пространство в программе записи ЭЭГ, указав: частоту дискретизации 5 кГц, низкий светотеневой (DC) и высокая частоту среза (1000 Гц), EEG каналов в соответствии с международной системой 10/20 (по крайней мере: лобно-центральной части (Fz), центро-центральный (Cz), лобно-полюсные ссылка (FPZ) и землей (сосцевидного) и в зависимости от парадигмы, кроме теменно-центральной части (Pz) , затылочно-центральных (Оз), временной (T3 / T4), лобно-медиальной (F3 / F4), лобно-боковой (F7 / F8)) (Рисунок 2D) и LFP каналы (LFPL 0, LFPL1, LFPL2, LFPL3 ( левое полушарие, рис 2С); LFPR0, LFPR1, LFPR2 и LFPR3 (правое полушарие)). Нажмите кнопку "Monitor", чтобы убедиться, что указанные каналы теперь настроен для записи.
    Примечание: прeparation заранее рабочего пространства рекомендуется для того, чтобы свести к минимуму время эксперимента и для контроля за неожиданных изменений в конфигурации записывающего. Рекомендуется обеспечить самое высокое временное разрешение, правильные настройки фильтра, адекватную частоту дискретизации и правильного выбора каналов, представляющих интерес.
  3. Настройка стимула компьютера, подключив параллельный порт к системе ЭЭГ. Запустите программу стимулов. Нажмите кнопку "Выполнить", чтобы проверить функциональность парадигмы на мониторе компьютера (визуальные стимулы) и / или колонок (слуховые стимулы, звуковые киев). Убедитесь, что средства маркеры (триггеры) от стимула компьютера считываются в систему записи во время презентации стимулов и реакции субъекта, проверяя их появление на программное обеспечение для записи ЭЭГ.
    Примечание: Триггеры от стимулирующих устройств должны иметь продолжительность не менее 200 мкс, чтобы быть обнаруженным системой ЭЭГ (с частотой дискретизации 5 кГц). Так как триггеры являются маркерами событий-отношеTed-событий или вызванных связанной активности, которые происходят в определенный период времени их функция имеет решающее значение для анализа данных. апостериорные В DBS-DOC прецедентным пример (пример 2), экспериментальная парадигма (Фигура 1В) состояла из звуковых стимулов (знакомый незнакомый голосами) так Триггеры были созданы в начале и в конце каждого раздражители представленных. В случае задачи Flanker (рис 1А) Триггеры были созданы в момент , когда 1) фланкеры и целевые стимулы появились, 2) пациент ответил и 3) кий тон был услышан , чтобы информировать пациента о том , что ответ времени истекли.
  4. Отметьте вершину головы пациента как средняя точка между Насьон и затылочного бугра с помощью маркера кожи перо и следуя советам опытного невролога или специалиста ЭЭГ. Кроме того, отметьте выбранные положения электродов ЭЭГ с использованием системы 10-20. Приложить EEG поверхностных электродов к коже головы, сначала очистки каждого выбранного местоположения с isopropил площадку спирта и после использования абразивной пасты.
    Примечание: Такие действия ограничены размещением бинтов на голове пациента DBS. Тем не менее, опытный невролог должен быть в состоянии определить соответствующий (приблизительного) местоположения для каждого электрода / канала. Для того, чтобы обеспечить надлежащий контакт перемещение волос из пути (если это применимо). Использование самоклеящихся электродов, обеспеченных хирургической лентой может быть использована из-за легкости размещения.
  5. Подключите электроды DBS с внешним управлением к чрескожной расширения. Подключите чрескожное расширение внешнего разъема кабеля. Подключите каждый электрод предоставленный внешний разъем кабеля к блоку управления EEG в соответствии с EEG записи установки. Подключите электроды EEG скальп к блоку управления EEG сначала подключить землю и ссылки.
  6. Приложить ЭМГ электроды (опорные и активные электроды) в указанных мышц сначала очистка области с тампоном изопропилового спирта. Подключите ЭМГ электроды к блоку управления ЭЭГ.
    Примечание: Этот шаг не является обязательным и в основном проводятся при двигательные задания рассматриваются в парадигму или когда требуется контролировать активность мышц, как и в случае пациентов с моторным расстройством.
  7. Нажмите кнопку "Monitor" для визуализации данных. Убедитесь, что сигналы ЭЭГ и ЭМГ, отображаемые на мониторе без артефактов, путем обнаружения присутствия и дрожания наложенных высокочастотных компонентов. Проверьте рекомендации о типах артефактов и других факторов , связанных с записью электроэнцефалографическими сигналов 35 и / или запросить техническую консультацию у опытного невролога или неврологом , пока вы не станете знакомы с типом нарушений , присутствующих в таких физиологических записях.
    Примечание: Этот шаг важен для обеспечения высокого качества сигналов для анализа данных в автономном режиме.

3. Запись послеоперационного Подкорковой (LFPs) и поверхности (ЭЭГ) активности мозга

  1. Дать инструкции для пациента. Убедитесь, что раtient удобно и поручить ему / ей, чтобы остановить эксперимент в любой момент дискомфорта.
  2. Нажмите кнопку "Выполнить" на программном обеспечении стимула таким образом, что пациент может увидеть парадигму на мониторе и / или слушать кия тонов и звуков. Провести тренировку с пациентом, пока он / она не почувствует себя комфортно с этой задачей. Начать одновременную запись подкорковых (LFP) и коры головного мозга (ЭЭГ) активности мозга в то время как пациент выполняет экспериментальную задачу.
    Примечание: В случае DBS-DOC случае пример (пример 2) парадигма состояла из звуковых стимулов в конструкции блока , как описано в (рис 1В). В случае задачи Flanker (фиг.1А), визуальные стимулы , соответствующие трем условиям (совместимый (60%), несовместимы (20%) и стоп-проб (20%)) были представлены случайным образом в пределах каждого блока (смешанной конструкции), каждый блок состоит из 120 раздражителей и парадигма состояла из в общей сложности четырех блоков. После того как задача была завершена,данные хранятся на жестком диске компьютера записи для последующего офф-лайн скрининга и количественного анализа.

Анализ 4. Данные

Примечание: Шаги с помощью программного обеспечения для анализа ЭЭГ:

  1. Откройте программное обеспечение для анализа ЭЭГ (см "материалы" в дополнительных файлах) и нажмите кнопку "Создать", чтобы визуализировать записанные данные, указав пути к папкам (сырье, истории и экспорта) и имя данных. Нажмите кнопку "Изменить каналы" для выбора каналов, представляющих интерес. Переименование каналов при необходимости.
  2. Нажмите "Channel Preprocessing", а затем "New Reference" повторно эталонные соседние контакты DBS и, таким образом, создавать виртуальные биполярные контакты для левого и правого полушарий. Повторите этот процесс, чтобы создать виртуальный монтаж для каналов ЭЭГ.
    Примечание: биполярный повторное ссылка монтаж важно минимизировать влияние объема проводимости и улучшить пространственную достоверность регистрируемых сигналов. В случае DBS-DOC CLFPL01, LFPL12, LFPL23, LFPR01, LFPR12, LFPR23 и электроэнцефалограмму:: Cz / FZ, PZ / Cz, OZ / пз, T3 / Cz и T4 / Cz аза пример (пример 2), следующие биполярные каналы DBS были установлены вверх , Стоит подчеркнуть, что в то время как MEG записанные сигналы безэталонный, EEG сигналы должны быть ссылки, чтобы установить истинные непроизвольной нулевые сигналы значение в общей структуре. Существующие ссылки на ЭЭГ системы включают в себя: Cz или FPZ ссылка, среднее между электродами на два уха, средняя ссылка (с учетом всех каналов), двух- или ссылки одного сосцевидного и шума ссылка. С целью анализа данных, различные повторно опорные механизмы могут быть использованы, например, биполярные контакты подходят при проведении анализа задач сочетания частотно-временной между DBS и ЭЭГ сигналов.
  3. Нажмите кнопку "сырые" данные проверки к данным на экране для физиологических и оборудования, связанных артефактов с акцентом на двигатель дрожащая и оборудования нарушений. Все сегменты, в которых присутствуют артефакты.
    NОТЕ: При записи кожи головы активность и одновременно подкорковой деятельности через DBS экспортированных приводит, ЭЭГ появляется более устойчив к шумам артефактов, чем методы, такие как MEG, для которых в настоящее время усилия направлены на улучшение отношения сигнал-шум. Из-что у пациентов с двигательными нарушениями страдают от непроизвольных движений, таких как хорея и тремор появление двигателя дрожащая артефактов в регистрируемых сигналов необходимо учитывать. Другие нарушения происходят из-за глаз мигает и связанное с ними оборудование артефактов. Сосредоточив внимание на DBS-ДОК случае пример (пример 2), осмотр артефактом проводили путем визуального осмотра и артефакты были отмечены вручную. Единственное применение автоматического режима проверки артефакт не рекомендуется, поскольку некоторые артефакты не могут быть признаны в соответствии с заданным критерием.
  4. Нажмите кнопку "Фильтрация данных", а затем "IIR фильтры", чтобы указать режекторный фильтр: 50 Гц (в отношении линии электропередачи артефактов) и Баттерворта нулевой фазы фильтров по SPECIфикации Низкие и Высокие показатели отрезные. Нажмите кнопку "Изменить" Частота дискретизации для даунсамплинга записанных сигналов с заданной частотой, а также указать тип интерполяции.
    1. В примере, DBS-DOC; установить Отсечка: 1.0000 Гц, постоянная времени: 0.1592s, наклон: 48 дБ / октаву; Высокая Отсечка: 80,0000 Гц, постоянная времени: 0,1592 сек и 48 дБ / октава и субдискретизации частоты до 512 Гц с помощью сплайн-интерполяции.
      Примечание: При необходимости выполнять фильтрацию по пользовательских сценариев, основанных на известных открытых люксами источник: Fieltrip (http://www.fieldtriptoolbox.org/), EEGLab (http://sccn.ucsd.edu/eeglab/) и SPM8 ( http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm8/). В случае первого, примеры сценариев приведены в (http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/preprocessing). Другие люксы также предоставить подробную документацию для выполнения этого шага.
      Примечание: Вниз дискретизации в любой точке будет ограничивать пространство частот, который доступен для дальнейшего анализа в соответствии с теоремой Найквиста, Учитывая DBS-DOC прецедентное пример, выбранная частота дискретизации 512 Гц целесообразно при рассмотрении вопроса о полосе частот до 80 Гц.
      Примечание: В качестве альтернативы, выполнить понижающее выборки с помощью пользовательских сценариев, основанных на известных открытых люксами источник: Fieldtrip (http://www.fieldtripbox.org), EEGLab (http://sccn.ucsd.edu/eeglab) и SPM8 ( http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm8/). В случае первого, примеры сценариев предоставляются (http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/preprocessing). Другие люксы также предоставляют документацию для выполнения этого шага.
  5. Экспорт биполярные каналы интерес, нажав "Экспорт", а затем "Общие данные". Экспорт данных маркеров (триггеры), нажав кнопку "Экспорт", а затем "Маркеры". Назовите файлы, которые будут экспортируемые выбора формата ".txt".
    Примечание: Для того, чтобы использовать набор инструментов Fieldtrip в следующих шагах предполагается экспортировать каналы в (.txt) мультиплексном формате, а также рекомендоватьред включить файл "vmrk", который включает в себя информацию об экспортируемых каналах. Кроме того, предлагается использовать формат (.txt) для экспортируемых маркеров в то время как опция пропуска маркеров, соответствующих плохих интервалов, выбранных на шаге 4) предлагается.

Примечание: Шаги с помощью Fieldtrip:

  1. Запуск MATLAB и нажмите на кнопку "установить путь", чтобы добавить путь к папке Fieldtrip в случае, если это не сделано по умолчанию.
  2. Поместите данные ранее предварительно обработанных и маркеров в клетки-массива-структуры, которая совместима с функциями в пределах Fieldtrip, запустив ( сценарий 1-Дополнительный File ) , не пропуская указать: каталог , который содержит файлы EEG и LFP с шага 7 , названия каналов, частота дискретизации, время образца, испытания. (Необязательно) Выполните артефакт неприятие "раскомментируйте" указанного кода. Этот сценарий сохраняет данные в указанный файл, который будет использоваться в NEXт шагов.
  3. Вычислить спектральную мощность LFP в для каналов , представляющих интерес, запустив ( Script 2-Дополнительный File ) , не пропуская указать: каталог, содержащий файл , сгенерированный (Script 1), метод (сейсмического импульса или mtmconvol), ширину окна, то частота интереса (АСИ), период времени, представляющие интерес (TOI) и частота коррекции базовой линии (по желанию). Определить тип статистического анализа и требуемого значения р.
    Примечание: В DBS-DOC прецедентным примера (пример 2), анализ мощности проводили с учетом частотного анализа вейвлет времени стимула автоподстройки (Morlet сейсмического импульса (ширина = 5)) с Хеннинга конусности, в диапазоне частот 4-80 Гц и период времени в диапазоне от -1 до 4 сек. Из-за, что вейвлеты имеют переменную разрешение по времени и частоте. При выборе сейсмического импульса, мы решаем компромисс между временным и спектральным разрешением. В частности, Morlet вейвлеты обладают синусоидальной формы весред гауссовым ядром, что позволяет захватывать локальные компоненты колебательные во временных рядах. Создание ширина параметра меньше будет увеличивать временное разрешение за счет разрешающей способности по частоте, и наоборот. Спектральная полоса пропускания при заданной частоте F равна F / ширина х 2 (для F = 40 Гц и ширина = 5 спектральная полоса составляет 16 Гц), тогда как вейвлет длительность равна ширине / F / PI (для F = 40 Гц и ширина = 5 сейсмического импульса продолжительность составляет 39,8 мс). Кластер на основе (времени и частоты переменных) рандомизации подход был использован для статистического анализа между условиями (р-уровня .05 в двустороннем тесте) 39. В качестве примера выхода , полученного путем выполнения этого шага , пожалуйста , смотрите на фиг.4А и рис 4D. Анализ Время отклика частоты была выполнена пользовательских сценариев, основанных на программном обеспечении с открытым исходным кодом Fieldtrip (http://www.fieldtriptoolbox.org/). Конкретные сведения о том, как настроить скрипт для выполнения этой стадии можетможно найти в http://www.fieldtriptoolbox.org/reference/ft_freqanalysis.
  4. Вычислить согласованность между подкорковых и корковых сигналов путем запуска ( Script 3-Дополнительный File ) , не забывая указать: длину сегментов, процент перекрытия, частота интереса. Что касается статистического анализа определить тип анализа и желаемое значение р.
    Примечание: анализ Когерентность измеряет линейную зависимость между двух временных рядов с постоянным отношением амплитуд 40. В DBS-DOC прецедентным пример (пример 2), были использованы отрезки 1 сек с 50% перекрытием для расчета когерентности, сосредоточившись на интервале частот от 1 до 25 Гц. Кластер на основе (время и частота переменных) рандомизации подход был использован для внутри-субъектных анализа согласованности (р-уровня .05 в двустороннем тесте) 41. Кроме того, мнимая часть когерентности была вычислена 42.
    В BasiC шаги, чтобы настроить скрипт для анализа когерентности описаны в (http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/coherence). В качестве примера выхода , полученного путем выполнения этого шага , пожалуйста , смотрите на рисунке 4B.
  5. Расчет кросс фазовой частоты амплитуды сцепления (PAC), запустив реализацию программного обеспечения , доступного в качестве дополнительного файла в ссылке 43.
    Примечание: В DBS-DOC случае пример (пример 2), кросс-частотный анализ PAC рассчитывалась с использованием всей штрафной артефакт записи для различных комбинаций биполярных каналов. В частности, нормализуется прямой PAC (ndPAC) 43 было отдано предпочтение , поскольку это позволило определить значительного сцепления на различных статистических уровней, наладку нулю незначащие муфты (р-уровня: 0,1). В результате, диапазоны частот для фазы и амплитуды муфты могут быть отобраны на основе их значимости. В случае, например DBS-DOC, частотный диапазон фазы рассматривается ваs 3-22 Гц, а диапазон частот амплитуда была установлена ​​до 35-80 Гц. Каналы LFP-EEG, выбранные для анализа ПАУ были LFPR23 и EEGFzPz на основе анализа когерентности, выполненного на этапе 5.5. В качестве примера выхода , полученного путем выполнения этого шага , пожалуйста , смотрите на фиг.4С.

figure-protocol-1
Рисунок 1: Пример Экспериментальные парадигм (А) (пример 1) Flanker задача:. Целевой стимул (стрелолист в центре) обрамляется двумя соседними стрелками (выше и ниже целевого) указывают либо в том же самом (совместимый) или против (несовместимы) направление, также были рассмотрены остановки испытаний (круг в центре). Когда цель направлена ​​влево или вправо, участник должен нажать кнопку ответа с их левым или правым большим пальцем, соответственно, в стоп испытаний участники проинструктированы не отвечать. Flanker задача здесь используется была изменена с изначально запрограммированным версии профессора С. Beste и его группы (смотрите подтверждения). (B) (пример 2) эмоционально-когнитивная парадигма речи используется в DBS-DOC прецедентным пример. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Для DBS-DOC случае (пример 2), мы в настоящее время предоставляют данные о целевой локализации для DBS имплантации, принципиальные схемы LFP электрода и ЭЭГ установить примерные записи ЭЭГ и LFP активности (исходные данные) и репрезентативных результатов анализа:

Рисунок 2А показывает запланированную траекторию (черная линия) проецируется на анатомическом атласе 36, раздел 30, ишемическая, 10,7 мм п...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

В отличие от неинвазивных методов записи мозг, как скальп-ЭЭГ и МЭГ, предлагаемое в сочетании инвазивным и неинвазивным нейрофизиологические основы записи обеспечивает замечательную возможность извлекать информацию из корковых и подкорковых областях по отношению к когнитивно-эмоциональные задачи. Такая информация отражается мозга колебательной активности в нескольких полосах частот и различных уровнях организации в отношении функционирования мозга 44. Мозг колебательные модели, которые имеют существенное знач...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.

Благодарности

Эта работа была поддержана ERA-NET НЕЙРОНА / БМБФ Германия (Тимон). таксы покрываются за счет гранта от университетской клиники Дюссельдорфа. Задача Flanker используется здесь была изменена с изначально запрограммированным версии профессора С. Beste и его группы 47.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
BrainAmp AmplifierBrain Products GmbH, Gilching GermanyКоличество: 2
Программное обеспечение для записи BrainVisionBrain Products GmbH, Gilching Germany1 Лицензия 
Программное обеспечение для анализатора BrainVision Brain Products GmbH, Gilching Germany1 Лицензия 
Оптоволоконные кабели и USB-разъемыBrain Products GmbH, Gilching GermanyОни поставляются с вышеуказанным оборудованием
Блок ввода электродов (64 канала)Brain Products GmbH, Gilching GermanyКоличество: 1
гель EEG Natus IncКоличество: 1
Изопропиловый спиртSchü lke & Mayr GmbH, ГерманияКоличество: 1
Гель для подготовки кожиWeaver and Co, СШАКоличество: 1
MATLAB   Math-Works, Натик, Массачусетс, США1 лицензия
FieldTrip toolboxhttp://www.fieldtriptoolbox.org/Макроэлектроды с открытым исходным кодом
(модель 3387 квадриполярный DBS)Medtronic Inc., Миннеаполис, Миннесота, СШАКоличество: 2
стерильных чрескожных удлинительных провода (модель 3550-05) Medtronic Inc., Миннеаполис, Миннесота, СШАКоличество: 2
Поворотный трос замка (модель 3550-03) Medtronic Inc., Миннеаполис, Миннесота, СШАКоличество: 2
изготовленных на заказ разъема для разъемовКоличество: 2
Комплект проводов Vercise DB -2201 Boston ScientificQuantity: 2
Контактный комплект удлинителей NM-3138 Бостонское научноеколичество: 2
O.R. кабель и удлинитель SC-4100 A Boston ScientificQuantity: 2
connector  к пробе на ощупь Твенте Медикал Системс Интернэшнл Б.В.Количество: 2
Компьютерный томограф Modell PQ2000 (Послеоперационная компьютерная томография)Philips Healthcare GmbH HamburgКоличество: 1
Презентационное программное обеспечение (задача Flanker)Neurobehavioral systems Inc.1 Лицензия 
MEG SystemElekta Neuromag IncАльтернативная
сетка для датчиков ЭЭГ высокой плотности (128 или 256 каналов)Electrical Geodesics Inc (EGI), СШААльтернатива
. с защитой от прикосновения DIN 428092

Ссылки

  1. Foerster, O., Altenburger, H. Elektrobiologische Vorgänge an der menschlichen Hirnrinde. Dtsch. Zschr. Nervenheilk. 135, 277-288 (1934).
  2. Spiegel, E. A., Wycis, H. T., Marks, M., Lee, A. J. Stereotaxic apparatus for operations on the human brain. Science. 106, 349-350 (1947).
  3. Okun, M. S. Deep-Brain Stimulation for Parkinson's disease. N. Engl. J. Med. 367, 1529-1538 (2012).
  4. Groiss, S. J., Wojtecki, L., Südmeyer, M., Schnitzler, A. Deep Brain Stimulation in Parkinson's disease. Ther. Adv. Neurol. Disord. 2 (6), 20-28 (2009).
  5. Kalia, S. K., Sankar, T., Lozano, A. M. Deep brain stimulation for Parkinson's disease and other movement disorders. Curr. Opin. Neurol. 26 (4), 374-380 (2013).
  6. Della Flora, E., Perera, C. L., Cameron, A. L., Maddern, G. J. Deep brain stimulation for essential tremor: a systematic review. Mov. Disord. 25 (11), 1550-1559 (2010).
  7. Volkmann, J., Benecke, R. Deep brain stimulation for dystonia: patient selection and evaluation [Review]. Mov. Disord. 17 (3), 112-115 (2002).
  8. Hu, W., Stead, M. Deep brain stimulation for dystonia. Transl. Neurodegener. 21 (3(1)), (2014).
  9. Mentzel, C. L., Tenback, D. E., Tijssen, M. A., Visser-Vandewalle, V. E., van Harten, P. N. Efficacy and safety of deep brain stimulation in patients with medication-induced tardive dyskinesia and/or dystonia: a systematic review. J. Clin. Psychiatry. 73 (11), 1434-1438 (2012).
  10. Huys, D., et al. Management and outcome of pallidal deep brain stimulation in severe Huntington's disease. Fortschr. Neurol. Psychiatry. 81, 202-205 (2013).
  11. Hartmann, C. J., Groiss, S. J., Vesper, J., Schnitzler, A., Wojtecki, L. Brain Stimulation in Huntington’s disease. Neurodegener. Dis. Manag. , (2016).
  12. Morishita, T., Fayad, S. M., Higuchi, M. A., Nestor, K. A., Foote, K. D. Deep brain stimulation for treatment-resistant depression: systematic review of clinical outcomes. Neurotherapeutics. 11 (3), 475-484 (2014).
  13. Lakhan, S. E., Callaway, E. Deep brain stimulation for obsessive-compulsive disorder and treatment-resistant depression: systematic review. BMC Res. Notes. 4 (3), 60(2010).
  14. Luigjes, J., et al. Deep brain stimulation in addiction: a review of potential brain targets. Mol. Psychiatry. 17, 572-583 (2012).
  15. Hardenacke, K., et al. Deep brain stimulation as a tool for improving cognitive functioning in Alzheimer's dementia: a systematic review. Front. Psychiatry. 4 (159), (2013).
  16. Laxton, A. W., Stone, S., Lozano, A. M. The Neurosurgical Treatment of Alzheimer's Disease: A Review. Stereotact. Funct. Neurosurg. 92, 269-281 (2014).
  17. Schrock, L. E., et al. Tourette syndrome deep brain stimulation: A review and updated recommendations. Mov. Disord. 30 (4), 448-471 (2015).
  18. Schiff, N. D., et al. Behavioral improvements with thalamic stimulation after severe traumatic brain injury. Nature. 448, 600-603 (2007).
  19. Yamamoto, T., Katayama, Y. Deep brain stimulation therapy for the vegetative state. Neuropsychol. Rehabil. 15, 406-413 (2005).
  20. Yamamoto, T., Kobayashi, K., Kasai, M., Oshima, H., Fukaya, C., Katayama, Y. DBS therapy for the vegetative state and minimally conscious state. Acta Neurochir. Suppl. 93, 101-104 (2005).
  21. Lipsman, N., Giacobbe, P., Lozano, A. M. Deep brain stimulation in obsessive-compulsive disorder: neurocircuitry and clinical. Handb. Clin. Neurol. 116, 245-250 (2013).
  22. Mallet, L., et al. Stimulation of subterritories of the subthalamic nucleus reveals its role in the integration of the emotional and motor aspects of behavior. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 104 (25), 10661-10666 (2007).
  23. Rotge, J. Y., et al. A challenging task for assessment of checking behaviors in obsessive-compulsive disorder. Acta Psychiatr. Scand. 117 (6), 465-473 (2008).
  24. Clair, A. H., et al. Excessive checking for non-anxiogenic stimuli in obsessive-compulsive disorder. Eur. Psychiatry. 28 (8), 507-513 (2013).
  25. Burbaud, P., et al. Neuronal activity correlated with checking behaviour in the subthalamic nucleus of patients with obsessive-compulsive disorder. Brain. 136, 304-317 (2013).
  26. Wojtecki, L., et al. Modulation of central thalamic oscillations during emotional-cognitive processing in chronic disorder of consciousness. Cortex. 60, 94-102 (2014).
  27. Menon, D. K., et al. Cortical processing in persistent vegetative state, Wolfson Brain Imaging Centre Team. Lancet. 352 (200), (1998).
  28. Monti, M. M., et al. Willful modulation of brain activity in disorders of consciousness. New. Engl. J. Med. 362, 579e589(2010).
  29. Owen, A. M., Coleman, M. R., Boly, M., Davis, M. H., Laureys, S., Pickard, J. D. Detecting awareness in the vegetative state. Science. 313, 1402(2006).
  30. Hirschmann, J., et al. A direct relationship between oscillatory subthalamic nucleus-cortex coupling and rest tremor in Parkinson's disease. Brain. 136, 3659-3670 (2013).
  31. Hirschmann, J., et al. Differential modulation of STN-cortical and cortico-muscular coherence by movement and levodopa in Parkinson's disease. Neuroimage. 68, 203-213 (2013).
  32. Okada, Y., Lähteenmäki, A., Xu, C. Experimental analysis of distortion of magnetoencephalography signals by the skull. Clin. Neurophysiol. 110, 230-238 (1999).
  33. Vaughan, T. M., McFarland, D. J., Schalk, G. The Wadsworth BCI Research and Development Program: at home with BCI. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 14, 229-233 (2006).
  34. Gross, J. Analytical methods and experimental approaches for electrophysiological studies of brain oscillations. J. Neurosci. Methods. 228, 57-66 (2014).
  35. Pivik, R. T., Broughton, R. J., Coppola, R., Davidson, R. J., Fox, N., Nuwer, M. R. Guidelines for the recording and quantitative analysis of electroencephalographic activity in research contexts. Psychophysiology. 30, 547-558 (1993).
  36. Mai, K. M., Assheuer, J. K., Paxinos, G. Atlas of the human brain (2nd edition). , Elsevier: Academic Press. (2004).
  37. Yelnik, J., et al. A three-dimensional, histological and deformable atlas of the human basal ganglia. I. Atlas construction based on immunohistochemical and MRI data. NeuroImage. 34, 618-638 (2007).
  38. Bardinet, E., et al. A three-dimensional histological atlas of the human basal ganglia. II. Atlas deformation strategy and evaluation in deep brain stimulation for Parkinson disease. J. Neurosurg. 110, 208-219 (2009).
  39. Maris, E., Oostenveld, R. Non-parametric statistical testing of EEG- and MEG-data. J. Neurosci. Methods. 164, 177-190 (2007).
  40. Halliday, D. M., Rosenberg, J. R., Amjad, A. M., Breeze, P., Conway, B. A., Farmer, S. F. A framework for the analysis of mixed time series/point process data-theory and application to the study of physiological tremor, single motor unit discharges and electromyograms. Prog. Biophys. Mol. Biol. 64, 237-278 (1995).
  41. Maris, E., Schoffelen, J. M., Fries, P. Nonparametric statistical testing of coherence differences. J. Neurosci. Methods. 163, 161-175 (2007).
  42. Nolte, G., Bai, O., Wheaton, L., Mari, Z., Vorbach, S., Hallet, M. Indentifying true brain interaction from EEG data using imaginary part of coherency. Clin. Neurophysiol. 115, 2292-2307 (2004).
  43. Ozkurt, T. E., Schnitzler, A. A critical note on the definition of phase-amplitude cross-frequency coupling. J. Neurosci. Methods. 201, 438-443 (2011).
  44. Schutter, D. J., Knyazev, G. G. Cross-frequency coupling of brain oscillations in studying motivation and emotion. Motiv. Emot. 36 (1), 46-54 (2012).
  45. Palva, J. M., Palva, S., Kaila, K. Phase synchrony among neuronal oscillations in the human cortex. J. Neurosci. 25 (15), 3962-3972 (2005).
  46. Oostenveld, R., Fries, P., Maris, E., Schoffelen, J. M. FieldTrip: open source software for advanced analysis of MEG, EEG, and invasive electrophysiological data. Comput. Intell. Neurosci. 156869, (2011).
  47. Beste, C., Mückschel, M., Elben, S., Hartmann, C. J., McIntyre, C. C., Saft, C., Vesper, J., Schnitzler, A., Wojtecki, L. Behavioral and neurophysiological evidence the enhancement of cognitive control under dorsal pallidal deep brain stimulation in Huntington’s disease. Brain. Struct. Funct. 220, 24441-24448 (2015).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи