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Medicine

Compiti del comportamento Intra-Operative negli esseri umani sottoposti a profonda Awake Surgery Brain Stimulation

doi: 10.3791/2156 Published: January 6, 2011
* These authors contributed equally

Summary

Stimolazione cerebrale profonda chirurgia offre un'opportunità unica per esaminare codifica delle informazioni nel cervello umano sveglio. Questo articolo descrive intra-operatoria metodi utilizzati per eseguire le attività cognitive e comportamentali al contempo l'acquisizione di dati fisiologici come l'attività EMG, unità singola neuronale e / o potenziali di campo locale.

Abstract

La stimolazione cerebrale profonda (DBS) è una procedura chirurgica che dirige cronica, la stimolazione elettrica ad alta frequenza di obiettivi specifici nel cervello tramite elettrodi impiantati. La stimolazione cerebrale profonda è stato implementato come una modalità terapeutica da Benabid et al. Alla fine del 1980, quando ha usato questa tecnica per stimolare il nucleo ventrale intermedio del talamo per il trattamento del tremore 1. Attualmente, la procedura è usata per trattare pazienti che non rispondono adeguatamente alla terapia medica per le malattie come il Parkinson, distonia e tremore essenziale. L'efficacia di questa procedura per il trattamento della malattia di Parkinson è stata dimostrata in ben alimentato, randomizzati e controllati 2. Attualmente, l'amministrazione statunitense Food and Drug Administration ha approvato DBS come trattamento per pazienti con medico refrattari tremore essenziale, morbo di Parkinson e distonia. Inoltre, DBS è attualmente in fase di valutazione per il trattamento di altri disturbi psichiatrici e neurologici, come disturbo ossessivo compulsivo, disturbo depressivo maggiore, e l'epilessia.

DBS non solo ha dimostrato di aiutare le persone, migliorando la qualità della vita, ma fornisce anche ai ricercatori l'opportunità unica di studiare e comprendere il cervello umano. Microelettrodo registrazioni sono regolarmente eseguite durante l'intervento chirurgico DBS al fine di migliorare la precisione di targeting anatomica. Modelli dei neuroni singoli possono quindi essere registrati, mentre il soggetto esegue un compito comportamentale. I primi studi di questi dati è concentrata su aspetti descrittivi, tra fuoco e tassi di scoppiare, e modulazione di frequenza 3. Studi più recenti si sono concentrati sugli aspetti cognitivi del comportamento in relazione alle attività neuronale 4,5. Questo articolo fornisce una descrizione del intra-operatoria metodi utilizzati per eseguire le attività comportamentali e neuronali registrare i dati con i pazienti svegli durante casi DBS. La nostra esposizione del processo di acquisizione dati elettrofisiologici si illumina l'attuale portata e le limitazioni di esperimenti umani intra-operatoria.

Protocol

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1. Reclutamento soggetto e consenso

  1. A seguito della valutazione clinica e consenso per nucleo subtalamico (STN) la stimolazione cerebrale profonda (DBS) per refrattari morbo di Parkinson, le informazioni di ogni paziente viene rivisto al fine di determinare se lui / lei soddisfa i criteri per l'intra-operatoria studio (definita in un Institutional Review Consiglio ha approvato il protocollo del Massachusetts General Hospital).
  2. Se è accertato che il soggetto soddisfa i criteri di studio, un membro medico del gruppo di studio (non il chirurgo) si avvicina al paziente di discutere la possibilità di partecipare allo studio.
  3. Il modulo di consenso per la partecipazione a questo studio è poi esaminato e spiegato al soggetto. Soprattutto, la spiegazione dello studio sottolinea che la partecipazione allo studio è volontaria e che in ogni punto lui / lei ha la possibilità di recedere dalla partecipazione. Inoltre, è poi sottolineato che la loro discussione di partecipare o di ritirarsi nello studio non ha alcun impatto sulla cura medica lui / lei riceverà.
  4. Se è accertato che il soggetto comprende e accetta di partecipare allo studio, lui / lei firma il consenso informato ed è approvato arruolati nello studio.

2. Formazione e comportamentali Rig installazione

  1. Come parte della chirurgia DBS per la malattia di Parkinson, i soggetti vengono ricoverati in ospedale un giorno prima della chirurgia. Quindi, questo offre l'opportunità di formare il soggetto il compito di comportamento. Questa formazione è essenziale in quanto fornisce un periodo di tempo durante il quale il soggetto può imparare a svolgere il compito di sviluppare e comfort con le sue regole, la rimozione di "effetti di apprendimento" confonde (fare riferimento alla discussione).
  2. Un impianto portatile comportamentale è portato in stanza d'ospedale del soggetto, la notte prima dell'intervento.
  3. Questo impianto è equipaggiato con l'esatta stesso compito di comportamento che il soggetto a svolgere il giorno del intra-operatoria di studio.
    1. In questo esempio, il soggetto viene chiesto di giocare un gioco di carte simile al gioco di "guerra". In questo gioco, il soggetto è tenuto a scommettere (o $ 20 o $ 5) se la sua carta è superiore a quella del computer. L'intento di questo compito è quello di analizzare il ruolo della ricompensa e del rischio sulla codifica neuronale nel STN. Al fine di incentivare l'argomento che gli viene detto che verrà pagato una parte delle loro vincite.
    2. Come un mezzo per ridurre le combinazioni possibili (e confonde con conseguente), solo le carte pari di un abito unico vengono utilizzati (es. 2, 4, 6, 8, e 10 di picche). Come tale, gli esiti possibili e le aspettative del compito può essere facilmente calcolati e analizzati.
    3. In ogni prova, il soggetto vede prima una schermata raffigurante la loro carta distribuite in modo casuale, e la parte posteriore della scheda del computer sconosciuto. Lo schermo mostra poi le due opzioni di scommessa, $ 5 e $ 20. Sulla base della forza relativa del suo / sua carta, il soggetto indica la scommessa con un pulsante, dopo di che lo schermo mostra il suo / la sua carta e la carta del computer è rivelato. La schermata finale mostra esplicitamente l'importo vinto o perso.
  4. Il soggetto è autorizzato a giocare la partita fino a quando non comprendere appieno le regole del gioco e di operare ad un livello confortevole.

3. Intra-operatoria - Sperimentale installazione

  1. Una volta che il soggetto è stato posizionato sul tavolo operatorio, l'impianto di perforazione contenenti le comportamentale, acquisizione ed elaborazione dei dati attrezzature segnale viene portato in sala operatoria. Posizionamento rig deve prendere in considerazione normale flusso di lavoro e le questioni legate alla sterilità impostazione sala operatoria.
  2. Come componenti di questi impianti sono montati e smontati per ogni sessione di registrazione, è di vitale importanza per controllare tutte le connessioni attrezzature. Quindi, come ogni componente è collegato al sistema di acquisizione dati, si deve verificare l'integrità dei dati. Queste procedure dovrebbe essere fatto presto l'intervento per evitare di dover risolvere questi problemi durante il tempo di registrazione critico.
    1. In primo luogo, avviare l'acquisizione e l'attrezzatura di elaborazione del segnale. Collegare le uscite della piattaforma di elaborazione dei segnali agli ingressi della piattaforma di acquisizione. Nel caso di questo studio, ci sarà l'acquisizione di tre extra-cellulare canali potenziale d'azione corrispondenti a tre para-sagittalmente orientata elettrodi che saranno avanzate nel cervello del soggetto durante l'intervento. Accendere la amplificatori in un momento per garantire che il sistema di acquisizione è l'acquisizione dei segnali.
    2. Fissare il monitor al tavolo operatorio in posizione comoda visualizzazione tramite un apposito adattatore.
    3. Se un dispositivo di input (joystick, box pulsante, tastiera, ecc) è impiegato, la posizione di questo dispositivo, facendo attenzione alla lateralità corrispondente al lato del cervello da cui le registrazioni saranno ottenuti. Garantire che la mano del soggetto è comodamente posizionato per operare il dispositivo di input. Considera la richiesta l'anestesista di secure il monitor ossigenazione impulso d'altra parte per garantire il corretto funzionamento del dispositivo. In questo compito si usa una scatola pulsante.
    4. Avviare il sistema comportamentale e garantire che i marcatori di eventi comportamentali sono stati catturati dalla rig acquisizione.
    5. Avviare l'attività comportamentale e permettere al soggetto di svolgere alcune prove del compito. Durante questo tempo, garantire che il sistema di acquisizione sta catturando gli ingressi pulsante scatola e gli indicatori comportamentali generati dalla piattaforma comportamentale.
    6. Se tutte le connessioni sono funzionali, arrestare l'attività comportamentali ed impianto di perforazione di acquisizione.

4. Isolamento dei neuroni nucleo subtalamico

  1. Gli obiettivi della chirurgia sono a posto cronica DBS conduce nella regione del motore della STN. Questo posizionamento è ottenuto attraverso una combinazione di immagini e registrazioni neuophysiological stereotassica.
  2. Dettagli della pianificazione stereotassica e la procedura chirurgica in sé ovviamente variano tra istituzioni, ma il processo generale è simile. Nel nostro ente, la Cosman-Roberts-Wells telaio stereotassico e gabbia fiduciali viene applicato e una testa TAC ottenuti. Il CT con fiducial è fusa con un cervello MRI ottenuto in precedenza volumetrico su un neuro-sistema di navigazione (StealthStation, Medtronics, Minneapolis, MN, o BrainLab VectorVision, Feldkirchen, Germania). Le coordinate della regione del cervello di destinazione (STN in questo caso) sono convertiti in frame-based coordinate. In sala operatoria, il paziente viene posizionato comodamente in una posizione semi-reclinata, e preparato e drappeggiati utilizzando le normali tecniche chirurgiche. Le coordinate della sinistra STN sono programmati nel telaio, che viene posizionato sul paziente. La pelle viene incisa e retratto. Burr fori sono posti, e una piccola apertura durale creato. Cannula collegata ad un microdrive sono posti in posizione e avanzate fino alla punta delle cannule sono 25 mm al di sopra di destinazione.
  3. Una volta che le cannule vengono avanzate nel cervello, i mandrini interni vengono rimossi e sostituiti con alta impedenza (0,3 - 1 mega-Ohm) microelettrodi (FHC, Bowdoin, ME). L'impianto di elaborazione dei segnali di pre-amplificatori sono collegati a ciascun elettrodo e il canale di riferimento differenziale è collegato alla cannula esterna.
  4. Al segnale di elaborazione rig gli amplificatori sono accesi e extracellulare segnale è valutato. Inoltre, l'impedenza di ciascun elettrodo viene controllata prima di avanzare ulteriormente nel cervello.
  5. Il chirurgo avanza lentamente gli elettrodi (0,05-0,4 passi mm) nel cervello. Gli elettrodi sono avanzati 25 millimetri a partire dal target calcolato verso l'STN. Questa traiettoria risulta l'elettrodo che passa attraverso il nucleo caudato, il talamo, il INSERTA zona, e infine nel STN.
  6. Una volta che gli elettrodi sono entrati nel STN, il fisiologo manipola arti controlaterali del paziente come un mezzo per stabilire se il segnale neuronale è reattivo motore. Quando il chirurgo e sperimentatore sono soddisfatti con la posizione degli elettrodi ', il compito di comportamento può essere avviato.

5. Acquisizione Dati

  1. Prima di iniziare il compito di comportamento, è importante documentare la profondità dei microelettrodi e la risposta del neurone motore isolati (s).
  2. Il soggetto viene poi istruito che l'operazione avrà inizio. Assicurarsi che la casella pulsante è ancora comodamente posizionati e che il monitor completamente visibile.
  3. Avviare l'acquisizione dati e di acquisire l'attività di base per almeno 1 minuto prima di iniziare il compito comportamentale.
  4. Come il soggetto svolge il compito, è importante monitorare i dati acquisiti. Con qualsiasi problema nella acquisizione, il compito deve essere interrotto e il problema rettificato.
  5. In questo studio, il soggetto viene chiesto di eseguire 120 processi per ogni profondità STN.
  6. Le attività possono essere eseguite più volte per ogni profondità nel STN, tuttavia, vi sono limitazioni alla durata di questi studi intra-operatoria (meglio descritto nella discussione). Noi termine sperimentale di registrazione a 30 minuti per evitare il disagio del paziente e indebito prolungamento di un intervento chirurgico. Inoltre, il soggetto ha la possibilità di rifiutare ulteriori registrazioni in qualsiasi momento, nel qual caso il compito di comportamento viene interrotto e riprende un intervento chirurgico.
  7. Una volta completato lo studio, i dati vengono salvati e archiviati per successive analisi.

6. Analisi dei dati

  1. In primo luogo, i segnali neuronali vengono discriminati in singoli timestamp picco utilizzando il software disponibile in commercio.
  2. I codici di comportamento task vengono poi analizzati, e il timestamp attività neuronale sono allineate utilizzando il codice script in Matlab.

Rappresentante dei risultati:

La figura 1 illustra i risultati rappresentante di un singolo neurone STN registrati durante il gioco guerra di cui sopra. La tI pannelli raffigurano op raster incentrato su quattro epoche comportamentale rilevante nel compito: il periodo di fissaggio prima di ogni prova, presentazione della tessera del soggetto, il premere il pulsante indicante il soggetto scommessa, e la presentazione della carta del computer. I pannelli di fondo rappresentano cestinate (50 cassonetti ms) peri-stimolo istogrammi tempo (PSTHs). Questo neurone non risponde con fermezza alla presentazione della tessera del soggetto, ma aumenta il suo tiro in modo significativo in tutto il pulsante. Questa attività dura fino carte del computer si rivela, al punto che la cottura si riduce a livelli di base.

Figura 1
Figura 1. Rappresentante STN neurone. Raster (pannelli in alto) e peri-stimolo tempo istogrammi (PSTHs) centrata sulla epoche comportamentale rilevanti sono rappresentati per un solo rappresentante STN neurone. Cottura questo neurone aumenta significativamente nel periodo del pulsante indicante il soggetto scommessa.

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Discussion

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La stimolazione cerebrale profonda chirurgia offre una preziosa opportunità di esaminare l'attività dei singoli neuroni nel cervello umano. Fino ad oggi questa opportunità ha permesso di numerosi studi descrittivi che caratterizzano l'attività dei diversi nuclei profondi. Più recentemente, intra-operatoria compiti sono diventati più sofisticati al fine di affrontare vari aspetti del comportamento e della cognizione. L'intento del protocollo è di fornire una guida per l'attuazione di successo compiti comportamentali intra-operatoria. Gli obiettivi del compito e lo scopo dello studio sarà ovviamente variano a seconda del nucleo bersaglio per un intervento chirurgico. Dato il crescente numero di applicazioni per la chirurgia DBS e la varietà di conseguenza l'aumento di target, ci aspettiamo di opportunità in rapida crescita per studiare la funzione del cervello umano a livello dei singoli neuroni.

Ci sono una serie di fattori e di passaggi critici che devono essere considerati quando l'implementazione di un intra-operatoria di studio. Soprattutto, ci sono limitazioni di tempo considerevole a questi studi, che si traduce in un numero limitato di prove comportamentali che possono essere raccolti per ogni soggetto. Quindi, quando si progetta un compito, si dovrebbe pensieroso limitare il numero di condizioni il compito di garantire una sufficiente potenza statistica per vedere un effetto. Ci sono diversi modi per superare questo limite. Si potrebbe cercare di ridurre il numero di permutazioni condizione di processo, di semplificare la complessità delle sequenze di prova, e / o semplicemente raccogliere più dati. Una seconda limitazione sostanziale a questi studi è la qualità dei dati neurofisiologici. Poiché singola unità di isolamento viene fatto in sala operatoria l'impostazione e non il laboratorio, stabile elevato rapporto segnale-rumore rapporto registrazioni sono difficili da raggiungere. Se la qualità del segnale neuronale diminuisce presto in una sessione di comportamento, si consiglia una sosta il compito e isolare nuovi neuroni. Un ultimo, fondamentale passo sta permettendo al paziente il tempo sufficiente per padroneggiare il compito comportamentale. Se questo passaggio viene trascurato, i dati raccolti sarà molto probabilmente confusi da effetti di apprendimento. Pertanto, utilizzare il pre-operatorio per garantire che il soggetto è allenato e comprende pienamente il compito.

Intra-operatoria studi forniscono una opportunità davvero unica per capire il cervello umano e la patologia. Tuttavia, questi esperimenti si verificano in condizioni dinamiche di una sala operatoria e sono quindi soggette a complicazioni non tipicamente osservati in un ambiente ben controllato di un laboratorio di ricerca.

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Disclosures

Nessun conflitto di interessi dichiarati.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Behavioral Rig
PC with dual Video Out Dell Optiplex 745
Digital Boards National Instruments PCI-6229
Connector Board National Instruments BNC-2090a
Software Mathworks Matlab 2007b***
Behavioral Software Eskandar Lab www.Monkeylogic.net
Acquisition Rig
PC Dell Optiplex 745
Digital Boards Cambridge Electronic Design Power 1401
Software Cambridge Electronic Design Spike2
Signal Processing Alpha-Omega Engineering* Micro-Guide Pro
Analysis
Neuonal Signal post-processing Plexon Offline Sorter
Software Mathworks Matlab 2007b
Button Box Refer to ’Button Assembly’

*Denotes that this items can be substitute for by comparable equipment or software;
** Denotes that substitute National Instruments components can be used (refer to www.Monkeylogic.net for compatibility);
*** Refer to www.Monkeylogic.net for specific required Matlab toolboxs.

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References

  1. Benabid, A. L. Combined (thalamotomy and stimulation) stereotactic surgery of the VIM thalamic nucleus for bilateral Parkinson disease. Appl. Neurophysiol. 50, (1-6), 344-344 (1987).
  2. Deuschl, G. A randomized trial of deep-brain stimulation for Parkinson's disease. N. Engl. J. Med. 355, (9), 896-896 (2006).
  3. Gale, J. T. From symphony to cacophony: Pathophysiology of the human basal ganglia in Parkinson disease. Neurosci. Biobehav. Rev. (2007).
  4. Williams, Z. M. Human anterior cingulate neurons and the integration of monetary reward with motor responses. Nat. Neurosci. 7, (12), 1370-1370 (2004).
  5. Zaghloul, K. A. Human substantia nigra neurons encode unexpected financial rewards. Science. 323, (5920), 1496-1496 (2009).
Compiti del comportamento Intra-Operative negli esseri umani sottoposti a profonda Awake Surgery Brain Stimulation
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Cite this Article

Gale, J. T., Martinez-Rubio, C., Sheth, S. A., Eskandar, E. N. Intra-Operative Behavioral Tasks in Awake Humans Undergoing Deep Brain Stimulation Surgery. J. Vis. Exp. (47), e2156, doi:10.3791/2156 (2011).More

Gale, J. T., Martinez-Rubio, C., Sheth, S. A., Eskandar, E. N. Intra-Operative Behavioral Tasks in Awake Humans Undergoing Deep Brain Stimulation Surgery. J. Vis. Exp. (47), e2156, doi:10.3791/2156 (2011).

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