Интраоперационных поведенческие задачи в Пробудитесь Люди Проходят Глубокая стимуляция мозга хирургии

Хирургическая операция по глубокой стимуляции мозга предоставляет возможность изучить процессы передачи и кодирования информации в бодрствующем человеческом мозге путем микроэлектродной регистрации данных у испытуемого, выполняющего поведенческие задачи. В данном примере испытуемых сначала обучают играть в простую компьютерную карточную игру, связанную с риском и вознаграждением. Затем пациента подготавливают к операции по глубокой стимуляции мозга, после чего микроэлектроды вводятся в целевую область мозга.

В данном случае регистрируются нейронные сигналы STN во время повторения испытуемым карточной игры. Собранные данные демонстрируют роль риска и вознаграждения в нейронном кодировании в STN.

Хотя цели эксперимента могут варьироваться в зависимости от ядра, выбранного для хирургического вмешательства. Первоначально DVS применялась в основном при двигательных расстройствах, таких как эссенциальный тремор, болезнь Паркинсона и дистония. В последнее время этот метод используется для исследования методов лечения депрессии и обсессивно-компульсивного расстройства.

Таким образом, данная задача включает в себя как моторный, так и обусловленный вознаграждением компоненты; мы регистрировали активность в субталамическом ядре, которое находится на стыке моторных и лимбических систем головного мозга. Пациентка — женщина 62 лет. Она очень приятный человек.

Она болеет болезнью Паркинсона около 10 лет. У неё наблюдаются классические признаки этого заболевания, такие как тремор, ригидность и замедленность движений. Первоначально она хорошо реагировала на медикаментозную терапию, что является благоприятным признаком, так как подтверждает истинный диагноз — болезнь Паркинсона.

Однако, как и во многих случаях, со временем эффективность препаратов снижается. По сути, состояние пациентов становится нестабильным, поэтому при прекращении приема лекарств проявляются тяжелые симптомы болезни Паркинсона. Наблюдаются тремор, ригидность и замедленность движений.

Затем, при приеме лекарств, у нее возникает другой тип двигательного расстройства, называемый дискинезией, при котором наблюдается избыточная двигательная активность, и «золотой середины» больше не существует. Именно в такой ситуации хирургическое вмешательство становится полезным, так как оно позволяет избавиться от этих глубоких колебаний состояния «вкл/выкл» и стабилизировать состояние пациента. По сути, это позволяет достичь наилучшего эффекта, которого можно было бы ожидать от приема медикаментов.

Таким образом, такова цель операции. В ходе самой операции мы воздействуем на две потенциально доступные области мозга. Одна из них называется субталамическим ядром.

Это то, что мы сделали сегодня. Один из них называется globus palus internist. Оба метода примерно одинаково эффективны.

Для их нацеливания мы используем комплексный подход. Мы осуществляем это стереотаксически с помощью КТ и МРТ, а также на основе физиологических показателей, проводя микроэлектродную регистрацию.

И они очень важны, поскольку позволяют нам с очень высоким пространственным разрешением определить границы ядра — его верхние и нижние границы, а также убедиться, что мы находимся именно в моторной части ядра. И, наконец, при установке постоянного электрода мы снова проводим стимуляцию через него, чтобы подтвердить правильность расположения. Таким образом, мы в любом случае выполняем все эти действия для лечения пациента.

Поскольку мы в любом случае проводим микроэлектродную регистрацию, это дает нам окно возможностей, пока микроэлектроды установлены. Это редкая возможность изучить нейронную активность человеческого мозга, которой иначе никогда бы не удалось воспользоваться. Но так как мы все равно проводим эту процедуру и электроды уже введены, мы выделяем дополнительные 20–30 минут, чтобы выполнить те или иные интересующие нас эксперименты.

Как правило, это эксперименты, связанные с моторным контролем, принятием решений, обучением или мотивацией и подобными процессами. Почти все они включают в себя видеоэкран и простое задание, которое выполняет испытуемый, например, перемещение джойстика или нажатие кнопки. Регистрация микроэлектродными сигналами рутинно проводится во время операций по DBS, что предоставляет исследователям уникальную возможность регистрировать паттерны разрядов отдельных нейронов в то время, когда испытуемый выполняет поведенческую задачу.

В рамках хирургического вмешательства по методу DBS при болезни Паркинсона пациенты госпитализируются за один день до операции. Это дает возможность обучить пациента выполнению поведенческого теста до начала операции. Такая возможность оказывается крайне полезной в тех случаях, когда поведенческий тест является когнитивно сложным.

В день операции для испытуемого устанавливается переносная поведенческая установка; если испытуемый прошел обучение накануне вечером, установка оснащается точно таким же поведенческим заданием, которое испытуемый должен выполнять интраоперационно. В данном примере испытуемому предлагается сыграть в карточную игру, похожую на игру «Война». В этой игре испытуемый делает ставку в размере 20 или 5 на то, окажется ли его карта старше карты компьютера.

Цель данной задачи — оценить роль вознаграждения и риска в нейронном кодировании в офтальмическом ядре, чтобы сократить количество возможных комбинаций и исключить возникающие смешивающие факторы. В каждом испытании используются только карты с четными номерами одной масти. Сначала испытуемый видит на экране свою случайно выданную карту и рубашку неизвестной карты компьютера.

Затем на экране появляются два варианта ставки, 5 и 20, в зависимости от относительной силы карты испытуемого. Испытуемый указывает размер ставки нажатием кнопки, после чего на экране отображаются его карта и открытая карта компьютера. На финальном экране четко указывается сумма выигрыша или проигрыша.

Испытуемому позволяют играть в игру до тех пор, пока он полностью не усвоит правила и не достигнет комфортного уровня выполнения задачи. Теперь рассмотрим интраоперационную экспериментальную установку на следующий день после обучения. После того как испытуемый будет размещен на операционном столе, внесите в операционную стойку с оборудованием для сбора поведенческих данных и обработки сигналов.

При позиционировании установки необходимо учитывать особенности рабочего процесса и требования к стерильности, характерные для условий операционной. Поскольку компоненты этих установок собираются и разбираются перед каждым сеансом записи, крайне важно проверять все соединения оборудования. Таким образом, при подключении каждого компонента к системе сбора данных следует сначала проверить целостность данных при первой загрузке, а также исправность оборудования для сбора и обработки сигналов.

Подключите выходы установки обработки сигналов к входам установки сбора данных. В данном исследовании регистрируются три канала внеклеточного потенциала действия, соответствующих трем ориентированным параллельно электродам, которые вводятся в мозг субъекта во время операции. Включайте усилители по одному, чтобы убедиться, что система сбора данных регистрирует сигналы.

С помощью подходящего адаптера закрепите монитор на операционном столе в удобном для обзора положении. Убедитесь, что рука испытуемого расположена комфортно для управления устройством ввода, используемым во время выполнения задания. Теперь запустите поведенческую систему и убедитесь, что установка для сбора данных фиксирует маркеры поведенческих событий.

Запустите поведенческое задание и позвольте субъекту выполнить несколько пробных прогонов. Убедитесь, что система сбора данных регистрирует сигналы с панели кнопок и поведенческие маркеры, генерируемые установкой, при условии, что эксперимент настроен и готов к запуску. Теперь посмотрим, как проводится хирургическая изоляция нейронов STN.

Целью операции является имплантация хронических электродов DBS в моторную область STN. Точное позиционирование достигается путем сочетания стереотаксической визуализации и нейрофизиологической регистрации в больнице Массачусетского общего госпиталя (Mass General Hospital). Устанавливаются стереотаксическая рама и калиброванная клетка Cosman Roberts Wells, после чего проводится КТ-сканирование головы.

КТ со стереотаксическими маркерами совмещается с ранее полученной объемной МРТ головного мозга в системе нейронавигации. В операционной пациент располагается в удобном полусидячем положении, после чего проводится стандартная предоперационная подготовка и драпировка операционного поля. Координаты левого STN программируются в стереотаксическую раму, которая затем фиксируется на пациенте.

Хирург делает разрез и раздвигает кожу. Выполняется сверление отверстий в черепе, после чего создается небольшое отверстие в твердой мозговой оболочке. Канюля, подключенная к микроприводу, доставляется в рабочее положение и продвигается до тех пор, пока кончик канюли не окажется на расстоянии 25 мм над целевой зоной.

После введения канюль в мозг внутренние стилеты извлекают и заменяют микроэлектродами с высоким импедансом. К каждому электроду подключают блоки обработки сигналов и предусилители, а дифференциальный опорный канал подключают к внешней канюле. На блоке обработки сигналов включают усилители и оценивают внеклеточный сигнал.

Кроме того, перед дальнейшим продвижением каждого электрода в мозг необходимо проверить его импеданс. После завершения всех проверок хирург медленно продвигает электрод в мозг с шагом от 0,05 до 0,4 миллиметра. Электроды вводят, начиная за 25 миллиметров до расчетной цели в направлении S St N. Такая траектория обеспечивает прохождение электрода через ядра CAU eight, таламус, zona Serta и, наконец, в SDN.

После введения электродов в SDN физиолог манипулирует конечностями пациента на противоположной стороне, чтобы определить, является ли нейронный сигнал моторным ответом. Когда хирург и экспериментатор убеждаются в правильности положения электродов, можно приступать к поведенческому тесту. Перед началом поведенческого теста важно зафиксировать глубину погружения микроэлектродов и моторный ответ изолированного нейрона.

Затем сообщите испытуемому о начале выполнения задания. Убедитесь, что блок с кнопками по-прежнему удобно расположен, а монитор полностью виден. Запустите сбор данных и регистрируйте базовую активность в течение как минимум одной минуты до начала поведенческого теста.

Во время выполнения задания испытуемым необходимо контролировать регистрируемые данные. При любом сбое в сборе данных задание следует остановить и устранить возникшую проблему. Задания могут выполняться несколько раз для каждой глубины.

Однако в STN экспериментальная запись ограничена 30 минутами, чтобы избежать дискомфорта пациента и излишнего продления операции. Давайте начнем. Можете сжать и разжать руку, удерживая лампочку?

Хорошо. Теперь оберните правую ногу. Повторяйте за мной: я люблю тапиоковый пудинг.

Я поехал на поезде в Топику, штат Канзас. Здесь представлены репрезентативные результаты записи одного нейрона STN во время игры «военная игра». RA показаны с центровкой по четырем поведенчески значимым эпохам в задании: периоду фиксации перед предъявлением карты испытуемому в каждом испытании, нажатию кнопки, указывающему на ставку испытуемого, и предъявлению карты компьютера; данные представлены в виде гистограмм времени стимула.

Этот нейрон не дает выраженного отклика на предъявление карточки испытуемого, однако его частота разрядов значительно возрастает в момент нажатия кнопки. Эта активность сохраняется до тех пор, пока не будет открыта карточка компьютера, после чего частота разрядов снижается до базового уровня. Данный метод позволяет измерять ответы отдельных нейронов головного мозга.

Данный метод также может быть комбинирован с другими способами регистрации нейронной активности, измеряющими популяционные ответы, такими как функциональная магнитно-резонансная томография или магнитоэнцефалография. После освоения эта методика может быть подготовлена и внедрена в операционной за 25 минут. Работа с людьми в операционной сопряжена с рядом ограничений, включая время поддержания стерильности и, что самое важное, благополучие пациента.

Поэтому учитывайте эти моменты на всех этапах исследования.