Использование Saccadometry с Глубокая стимуляция мозга для изучения нормальной и патологической функции мозга

Summary

В этой статье описывается использование количественного измерения движений глаз в сочетании со стимуляцией фокусных областей глубокого мозга для изучения физиологии, патофизиологии и механизмов глубокой стимуляции мозга.

Abstract

Глазодвигательная система включает в себя большое количество областей мозга, включая части базальных ганглий, и различные нейродегенеративные заболевания, включая болезнь Паркинсона и Хантингтона, могут нарушить ее. Люди с болезнью Паркинсона, например, как правило, имеют повышенные саккадические латентности. Следовательно, количественное измерение саккадических движений глаз привлекло значительное внимание как потенциальный биомаркер нейродегенеративных состояний. Гораздо больше можно узнать о мозге как в здоровье, так и в болезни, наблюдая за тем, что происходит с движениями глаз, когда нарушается функция определенных областей мозга. Глубокая стимуляция мозга — это хирургическое вмешательство, используемое для лечения ряда неврологических заболеваний, включая болезнь Паркинсона, при котором стимулирующие электроды размещаются в определенных областях мозга, включая несколько участков в базальных ганглиях. Затем можно измерить движения глаз при выключенных и включенных системах стимуляторов и сравнить результаты. При подходящем экспериментальном дизайне этот подход может быть использован для изучения патофизиологии заболевания, подлежащего лечению, механизма, с помощью которого DBS оказывает на него благотворное воздействие, и даже аспектов нормальной нейрофизиологии.

Introduction

В последние годы наблюдается повышенный интерес к использованию измерений времени реакции в качестве количественной и неинвазивной способ получения информации о механизмах высокого уровня нейронной принятия решений ^1. Один тип времени реакции, которая была широко изучена это время, необходимое для инициирования саккаду на презентации визуального стимула, известный как саккадической латентности. Саккады являются быстрые движения глаз, которые происходят, когда мы быстро перенести наш взгляд с одного места на другое. Они являются наиболее распространенными типами движений глаз мы делаем, происходит на частоте обычно два или три в секунду. Каждый саккада действует решение , чтобы посмотреть на одну реплику в визуальном мире , а не другой ^2.

Нервные пути , контролирующие движения глаз, были изучены и достаточно хорошо документированы ^3. С помощью чувствительного электронного оборудования, аспекты функции глазодвигательного могут быть точно и objectivelу количественно. Это облегчает детальное изучение самих движений глаз, но и позволяет использовать их в качестве инструмента для исследования других областей нейрофизиологии и патофизиологии.

Измерение движения глаз может дать полезную информацию о болезненных состояниях. Скачкообразных движений глаз в последнее время , к примеру, получили большое внимание в качестве потенциальных биомаркеров при нейродегенеративных расстройств , в том числе заболеваний Хантингтона ^4,5 и болезнь Паркинсона ^6,7, и хорошо установлено , что скачкообразных время реакции , как правило, медленнее , чем обычно в этих условиях. Потенциальные возможности использования саккадической измерения включают в себя вспомогательные средства для диагностики и отслеживания заболеваний. Саккадическая задачи варьируются от простого prosaccade (если смотреть как можно быстрее к внезапно появляющейся визуальный стимул влево или вправо) до более сложных задач, таких как antisaccade (если смотреть как можно быстрее к противоположной стороне на зрительный стимул) или память- руководствуясь саккада (если смотретьпо отношению к запомненной местоположении цели, которая больше не является там).

Глубокая стимуляция мозга является эффективным средством для лечения ряда неврологических заболеваний. Чаще всего он используется для лечения двигательные симптомы болезни Паркинсона, включая тремор, ригидность, брадикинезией и дискинезии. Он также используется для других двигательных расстройств, в том числе дистонии и эссенциального тремора, реже при нейропатической боли, эпилепсии, а также психических заболеваний, таких как обсессивно-компульсивное расстройство. Это единственный параметр , в котором ученые имеют прямой электрический доступ к глубинным структурам головного мозга человека в естественных условиях и , таким образом , предлагает драгоценную возможность для экспериментальной неврологии. Разнообразие мишеней стимулируются в зависимости от состояния, подлежащего лечению, в том числе нескольких местах в базальные ганглии, многие из которых участвуют в глазодвигательными путей. Это означает, что широкий спектр исследований может проводиться с использованием системы DBS для доставки стимуляциив данном месте мозга и устройство слежения за глазом для записи и анализа его последствий. В зависимости от экспериментальной парадигмы, такие исследования могут дать информацию о физиологии региона стимулируется, последствия заболевания, или механизм, с помощью которого DBS работает в этой конкретной обстановке. В данной статье описывается общий подход к саккадической тестирования движения глаз у пациентов Глубокая стимуляция мозга.

Несколько различных типов глаз отслеживания оборудования доступны. Для исследований, описанных в данном протоколе портативный saccadometer был использован для записи горизонтальных саккадических движений глаз. Портативные saccadometers имеют преимущество не требующих подголовника (см Рисунок 1), что означает , что сеансы более удобным для пациентов с болезнью Паркинсона, особенно для тех , кто страдает с тяжелой дискинезии. Saccadometer здесь используется легкий и шириной около 5 см и 10 см в высоту. Saccadometer колбыразреш движения глаз за счет использования прямого инфракрасного окулография: инфракрасный источник и датчик, расположенный в передней части медиального использования угол глазной щели света, отраженного от роговицы, чтобы установить угловое положение глазного яблока с интервалом миллисекунду. Для того чтобы получить хорошие качественные данные для анализа saccadometer должны попробовать со скоростью по меньшей мере, 1 кГц, по меньшей мере, с разрешением 12 бит. В saccadometer используется здесь визуальные стимулы были три красных 13 кд м ^-2 пятна света , полученного с помощью встроенного в низких лазерах, каждое пятно объединительной некоторые 0,1 градусов, с одного места в средней линии , а два других на ± 10 градусов (т.е. , справа и слева).

Рисунок 1. Saccadometer. Глава монтируется saccadometer прикреплен к резинке и покоится на переносице. Четыре миниатюрные лазеры проекта визуальной целиs на матовой поверхности, а также движений глаз участника измеряются с помощью дифференциальных инфракрасных отражательных датчиков на носовой части каждого глаза. Поскольку лазерные мишени движутся с головы, подголовники не требуется. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Protocol

Местным комитетом по этике одобрил это исследование и осознанного согласие было получено от участников, как описано ниже в разделе 1.

1. Участник Согласия

1. Предоставьте участникам информационного листа, который подробно объясняет, что тестирование сессия будет включать в себя.
2. После того, как участники имеют возможность прочитать и обсудить любые вопросы, замечания или другие вопросы, связанные с их принимающие участие в исследовании, пройти через форму согласия с ними, объясняя каждую точку на форме согласия, и давая им возможность задать любые вопросы они могли бы иметь. Попросите участников заполнить форму.

2. Настройка Saccadometer

1. Поместите устройство на голове пациента, крепится с помощью регулируемого эластичного ремня и отдыхает на переносице. Поскольку стимулы двигаться точно с головой, без головы самоограничение не требуется, и устройство удобно WEAр.
2. Попросите пациента сесть на 1,5 м от плоского матового экрана.
3. Убедитесь в том, что окружающее освещение тусклое, так что стимулы (красный свет пятна) отчетливо видны.

3. Запись саккадическая сессии

Примечание: В качестве примера стандартный протокол , который проверяет оба prosaccades и antisaccades ⁸ описан здесь. Этот протокол состоит из пяти блоков: 60 prosaccades, 40 antisaccades х 3 и 60 prosaccades с перерывом 1 мин между блоками. Сеанс длится около 40 мин.

1. Настройте saccadometer так , что для каждого испытания центральная цель фиксации отображается для случайного указательным период 1,0 - 2,0 сек, после чего он гасится и появляется одно из периферийных целей, случайным образом вправо или влево ^9.
   Примечание: Эти три цели являются пятна красного света, проецируемого на экран перед участника (см 2.2) маломощных лазеров, встроенных в saccadometer. Saccadometer Automatically переключает лазеры и выключаться для отображения / погасить цели в нужной последовательности.
2. Попросите участника о том, что тестирование состоит из пяти блоков с одним минутным перерывом между блоками.
3. До первого блока инструктировать участника, чтобы переместить их глаза, как быстро и как можно более точно следить за красной точкой прыгает от середины к одной или другой стороны и поручить им сделать это 60 раз.
4. Установите saccadometer для формирования последовательности из 60 испытаний. Нажмите на кнопку, чтобы начать saccadometer первый блок испытаний (prosaccades).
5. После завершения первого блока, оставить одну минуту разрыв перед вторым блоком. Сброс saccadometer для генерации последовательности из 40 испытаний, а ближе к концу одной минуте разрыв, инструктировать участника для следующего блока, чтобы переместить их глаза как можно быстрее в противоположном направлении по отношению к красной точке, и объяснить, что они будут требуется, чтобы сделать это в 40 раз. Начало секвторых блок испытаний (antisaccades).
6. После завершения второго блока, оставьте еще на 1 мин зазор, повторите инструкции на шаге 3.5 и начать третий блок испытаний (antisaccades).
7. После завершения третьего блока, оставьте еще на 1 мин зазор, повторите инструкции на шаге 3.5 и начать четвертый блок испытаний (antisaccades).
8. После завершения четвертого блока, оставьте еще на 1 мин разрыв, и объяснить, что для окончательного блока испытаний попросить участников перенести свои глаза, как быстро и как можно более точно следить за красной точкой прыгает от середины к одной стороне или другой, точно так, как они это делали в первом блоке.
9. Сброс saccadometer для генерации последовательности из 60 испытаний, и начать заключительный блок испытаний (prosaccades).

Рисунок 2. Задачи движения глаз. Схема illustratiна показе два примера саккадических задач. Твердое вещество синее пятно представляет собой мишень и пунктирная синий круг представляет собой область фиксации. ЛЕВЫЙ показывает prosaccadic задачу , где объект будет предложено смотреть в сторону цели. ПРАВЫЙ показывает antisaccade где субъект просят отвести взгляд от зрительного стимула , Для этого требуется ингибирование более естественной реакции prosaccade и генерация саккады в противоположном направлении. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

4. Настройки Deep Brain Стимулятор

Примечание: Для участников с глубокими стимуляторы мозга проводят тестирование до сих пор с системой Стимулятор работает в обычном режиме, то есть, "на стимуляции" набор данных был получен. Тестирование Теперь необходимо повторить с системой стимулятором выключен (для здоровых участников контроля без системы ДБО этот раздел не будет применяться).

1. Включите систему DBS выключения. Делайте это квалифицированным медицинским персоналом. Высушить в течение 30 мин перед испытанием.
2. Повторите скачкообразное тестирование (шаги 3.2 - 3.9), чтобы получить полный "отключить" стимуляции набора данных.
3. Включите систему DBS обратно на (опять же это должно быть сделано надлежащим образом подготовленным медицинским персоналом).

5. Анализ данных

Примечание: Для участников с глубокими стимуляторы мозга проводят тестирование до сих пор с системой Стимулятор работает в обычном режиме, то есть, "на стимуляции" набор данных был получен. Тестирование Теперь необходимо повторить с системой стимулятором выключен (для здоровых участников управления без систем ДБО этот раздел не будет применяться).

1. Загрузить исходные данные из saccadometer в компьютер для анализа.
2. Используйте программу в saccadometer, чтобы исключить Саккады DistorTed от мигает и движений головы, а также для расчета переменных, включая саккадических латентности, пиковые скорости и амплитуды.
   Примечание: отчеты, загрязненные чрезмерными движениями головы или мигания автоматически удаляются с помощью программного обеспечения.
   1. Удалить саккады с задержкой менее 80 мс или больше, чем 1000 мс.
      Примечание: саккадическая задержка вычисляется автоматически с использованием алгоритма саккада обнаружения, основанный на скорости и ускорения. Наступление саккады определяется как точка, когда скорость глаз превышает порог 5 градусов / сек.

Results

На рисунке 3 показан пример саккадических траекторий движения глаз, от пациента болезни Паркинсона с гипоталамическим ядром системы DBS имплантированной. Два графика сюжет prosaccades пациента с системой стимулятором выключен (верхний график) и включается (нижний график). Каждый след на графиках показана траектория одного саккаде, то есть, как положение глаза в градусах от средней линии (ось) изменяется в зависимости от времени (ось х). Оба влево и вправо саккад...

Discussion

Самым важным фактором в получении хорошего качества скачкообразное данных гарантирует, что инструкции, данные участника являются ясными и точными. Например, если в инструкции для antisaccadic задачи не совсем понятно, участник может выполнить prosaccades вместо этого. Записи могут также быть испорчен, если участник не может четко видеть раздражители или saccadometer не может точно оценить положение глаз. Таким образом, если данные по всей видимости, низкого качества экспериментатор должен проверить, что окружающий свет ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Устройство саккадометра	Ober Consulting Poland
Компьютер с программным
, измеритель задержки для загрузки исходных данных с саккадометра