Summary
Derin beyin stimülasyonu ameliyatı uyanık insan beyninin bilgi kodlama incelemek için eşsiz bir fırsat sunmaktadır. Bu makale eş zamanlı EMG, tek birim nöronal aktivite ve / veya yerel alan potansiyelleri gibi fizyolojik veriler elde edilirken, bilişsel ve davranışsal görevleri gerçekleştirmek için kullanılan intra-operatif yöntemler anlatacağım.
Abstract
Derin beyin stimülasyonu (DBS), kronik, yüksek frekanslı elektrik stimülasyonu yerleştirilmiş elektrotlar aracılığıyla beynin belirli hedeflere yönlendiren bir cerrahi işlemdir. Derin beyin stimülasyonu ilk Benabid ve arkadaşları tarafından bir tedavi yöntemi olarak uygulanmıştır. 1980'lerin sonlarında, o ventral ara 1 tremor tedavisi için talamus çekirdeği uyarmak için bu tekniği kullanılır. Şu anda, prosedür Parkinson, distoni, ve esansiyel tremor gibi hastalıklar için medikal tedaviye yeterli cevap vermeyen hastalarda tedavi etmek için kullanılır. Parkinson hastalığının tedavisi için bu prosedürün etkinliği, iyi çalışan, randomize kontrollü çalışma 2 kanıtlanmıştır . Halen, Amerikan Gıda ve İlaç İdaresi DBS tıbbi refrakter esansiyel tremor, Parkinson hastalığı ve distoni olan hastalar için bir tedavi olarak onaylamıştır. Ayrıca, DBS, obsesif kompulsif bozukluk, major depresif bozukluk ve epilepsi gibi diğer psikiyatrik ve nörolojik bozuklukların tedavisi için değerlendirilmektedir.
DBS, yaşam kalitesinin iyileştirilmesi, sadece insanlara yardım etmek için gösterilmemiştir, aynı zamanda insan beyninin çalışma ve anlamak için eşsiz bir fırsat araştırmacılar sağlar. Mikroelektrod kayıtları rutin anatomik hedeflemesi hassasiyeti artırmak için DBS ameliyat sırasında yapılmaktadır. Konu davranışsal bir görev yapar Bu nedenle, bireysel nöronların Ateşleme desen kaydedilebilir. Açıklayıcı ateş ve patlama oranları da dahil olmak üzere yönlerini, ve frekans modülasyonu 3 odaklanmış bu verileri kullanarak ilk çalışmalar. Daha yeni çalışmalarda 4,5 nöronal aktivite ile ilgili bilişsel davranış yönleri üzerinde yoğunlaşmıştır. Bu makale, davranışsal görevleri gerçekleştirmek ve DBS durumlarda sırasında uyanık hasta ile nöronal veri kaydetmek için kullanılan intra-operatif yöntemler bir açıklama sağlayacaktır. Elektrofizyolojik veri edinme sürecinin fuar kapsamı ve intra-operatif insan deneyleri sınırlamaları yanacaktır.
Protocol
1. Konu İşe Alım ve Onay
- O / o intra-operatif çalışma (bir Kurumsal Gözden tanımlanmıştır kriterleri karşılayan eğer subtalamik nukleus (STN) ve refrakter Parkinson Hastalığı için derin beyin stimülasyonu (DBS), klinik değerlendirme ve onayı takiben, her hastanın bilgileri belirlemek amacıyla yorumlanan. Kurulu), Massachusetts Genel Hastanesi onaylanmıştır.
- Konusu çalışma kriterlerine uygun olduğunu tespit edilirse, bir doktor çalışma grubu üyesi (Ameliyatı yapan cerrah), hasta çalışmaya katılma olasılığını görüşmek üzere yaklaşır.
- Çalışmaya katılmak için onay formu daha sonra gözden geçirilmiş ve konu ile açıklanmıştır. Daha da önemlisi, çalışmanın açıklama Çalışmaya katılımın gönüllü ve herhangi bir noktada o / o katılımı çekilme seçeneği olduğunu vurgulamaktadır. Ayrıca, bundan sonra çalışmaya katılmak veya çekilme tartışma tıbbi bakım / o alacak üzerinde herhangi bir etkiye sahip olduğunu vurguladı.
- Konu anlar ve çalışmaya katılmayı kabul eder tespit edilirse, o / o onaylanmış bilgilendirilmiş onam belirti ve çalışmaya alındı.
2. Davranışsal Eğitim ve Rig Kurulum
- Parkinson Hastalığı DBS cerrahi bir parçası olarak, hastalar ameliyattan bir gün önce hastaneye başvurdu. Bu nedenle, bu davranış görevi bu konuda eğitmek için bir fırsat sunmaktadır. Bu eğitim kaldırarak, "öğrenme etkileri" boşa (tartışmaya bakın) konusu görevi gerçekleştirmek için öğrenmek ve kendi kuralları ile konfor gelişebilir sırasında bir süre sağlar esastır.
- Taşınabilir bir davranış teçhizat, ameliyat öncesi gece konusu hastane odasına getirilir.
- Bu teçhizat konu intra-operatif bir çalışma gününde gerçekleştirmek için gerekli olan aynı davranışsal bir görev ile donatılmıştır.
- Bu örnekte, bu konuda, "savaş" oyunu benzeri bir kart oyunu oynamak için istenir. Bu oyunda, bu konuda onun kartı bilgisayarın daha yüksek olup olmadığını ($ 20 veya $ 5) bahis için gereklidir. Bu görevin amacı, tahlil için STN nöronal kodlama ödül ve risk rolü vardır. Onlar bu konuda teşvik etmek için kazanç oranı ödeneceği söylendi.
- Potansiyel kombinasyonları (ve boşa çıkan) azaltmak için bir araç olarak, sadece tek bir takım elbise bile sayılı kartları (örneğin, 2, 4, 6, 8, ve 10 maça) kullanılır. Bu nedenle, görevin olası sonuçlarını ve beklentilerini kolayca hesaplanır ve analiz edebilirsiniz.
- Her çalışmada, bu konuda ilk rastgele ele kartı ve bilinmeyen bir bilgisayar kartı geri gösteren bir ekran görüyor. Ekranı, iki 5 $ ve 20 $, bahis seçenekleri gösterir. / Kart göreli gücü dayanarak, konu ekran / kart ve ortaya bilgisayarın kart gösterir, sonra bir düğmeye basarak bahis gösterir. Son ekran kazandı veya kaybetti miktarı açıkça gösteriyor.
- Konu tamamen oyunun kurallarını anlamak ve rahat bir düzeyde gerçekleştirmek kadar oyun oynamak için izin verilir.
3. İntra-operatif - Deneysel Kurulum
- Konu cerrahi masanın üzerine konumlandırılmış olup, davranışsal, veri toplama ve sinyal işleme ekipmanları içeren teçhizat ameliyathaneye getirilir. Rig konumlandırma göz normal iş akışı ve ameliyathane ayarı ile ilgili kısırlık sorunları dikkate almak zorundadır.
- Bu kulelerimiz bileşenleri monte edilmiş ve her bir kayıt oturumu için demonte olarak, tüm ekipman bağlantıları kontrol etmek için hayati önem taşımaktadır. Bu nedenle, her bir bileşenin veri toplama sistemine bağlı olarak, bir veri bütünlüğü kontrol etmelisiniz. Bu prosedürler kritik kayıt süresi boyunca bu sorunları gidermek için sahip önlemek için erken cerrahi yapılmalıdır.
- Birincisi, satın alma ve sinyal işleme ekipmanları önyükleme. Sinyal işleme teçhizat satın teçhizat girişleri çıkışları bağlayın. Bu çalışmada söz konusu olduğunda, ameliyat sırasında deneğin beyin içine gelişmiş olacak üç para-sagittally odaklı elektrotlar karşılık gelen üç ekstra hücresel aksiyon potansiyeli kanalları satın olacaktır. Sinyalleri elde toplama sistemi olduğundan emin olmak için bir kerede amplifikatörler birini açın.
- Monitör, uygun bir adaptörü kullanarak rahat bir izleme pozisyonu VEYA masaya sabitleyin.
- Bir giriş cihazı (joystick, düğme kutusu, tuş takımı, vs.) Istihdam ediliyorsa, kayıtları elde edilecek olan beynin yan göre lateralite dikkat ederek, bu cihazın konumu. Konuda eli rahat bir giriş cihazı çalıştırmak için yerleştiğinden emin olun. S anestezist soran düşününCihazın düzgün çalışmasını sağlamak için, diğer taraftan darbe oksijenasyonu monitör ecure. Bu görevi bir düğme kutusu kullanın.
- Davranışsal sistem önyükleme ve davranışsal olay işaretleri satın teçhizat tarafından çekilen olduğundan emin olun.
- Davranışsal bir görev başlatın ve bu konuda birkaç deneme görev oynamasına izin. Bu süre içinde toplama sistemi, düğme kutusu girişleri ve davranışsal donanım tarafından oluşturulan davranış işaretleri yakalamak olduğunu emin olun.
- Eğer tüm bağlantıları fonksiyonel, davranışsal bir görev ve satın alma platformu durdurun.
4. Subtalamik Nucleus Nöronlar izolasyonu
- Cerrahinin amacı kronik DBS STN motor bölgeye açar yere. Bu yerleşim stereotaktik görüntüleme ve neuophysiological kayıtları bir kombinasyonu ile elde edilir.
- Stereotaktik planlama ve cerrahi prosedür kendisi Detayları tabii ki kurumlar arasında değişecektir, ancak genel süreç benzer. Bizim kurumda, bir Cosman-Roberts-Wells stereotaktik çerçeve ve fiducial kafes uygulanan ve bir baş CT taraması elde edilir. Fiducials ile CT önceden elde edilen hacimsel beyin MRG nöro-navigasyon sistemi (veya BrainLab VectorVision, Feldkirchen, Almanya StealthStation, Medtronics, Minneapolis, MN) ile birleşti. Hedef beyin bölgenin koordinatları (bu durumda STN) çerçeve tabanlı koordinatlara dönüştürülür. Ameliyathane, hasta yarı recline pozisyonda rahatça yerleştirilmiş ve prepped ve standart cerrahi teknik kullanarak bol dökümlü. Sol STN koordinatları hasta üzerinde konumlandırılmış çerçeve içine programlanmıştır. Deri kazıma ve geri çekilir. Burr delikler yerleştirilir ve küçük bir dural açıklık oluşturulur. Bir Microdrive bağlı Şırıngalar pozisyona getirdi ve kanül ucu hedefin üzerinde 25 mm kadar gelişmiş.
- Beyin içine kanül ileri sonra, iç Stilelerin kaldırılır ve yerine yüksek empedanslı (0.3 - 1 mega Ohm) Mikroelektronlar (FHC, Bowdoin, ME). Sinyal işleme teçhizat ön amplifikatörler her elektrot bağlı ve ayırıcı referans kanal dış kanül bağlı.
- Sinyal işleme kulesi amplifikatörler açık ve ekstra-hücresel sinyal değerlendirilir. Buna ek olarak, her bir elektrot için empedans, beynin içine daha fazla geçmeden önce kontrol edilir.
- Yavaş yavaş beyin cerrahı gelişmeler elektrotlar (,05-,4 mm adım). Elektrotlar STN doğru hesaplanan hedef 25mm başlayarak gelişmiş bulunmaktadır. Bu yörünge, kaudat nükleus, talamus, zona INSERTA, ile ve en sonunda STN içine geçen elektrot sonuçlanır.
- Elektrotlar STN girdikten sonra, fizyolog nöronal sinyal duyarlı motorlu olup olmadığını kurmanın bir aracı olarak hastanın kontralateral bacaklarda yönetir. Cerrah ve deneyci elektrot pozisyonu memnun olduğunuzda, davranışsal görev başlamış olabilir.
5. Veri Toplama
- Davranışsal görev başlamadan önce, izole nöron (ler) motor yanıt Mikroelektronlar derinliği ve belgelemek için önemlidir.
- Bu konu daha sonra görev başlayacak talimatı verilir. Düğme kutusu hala rahatça yerleştirilmiş ve monitör tamamen görünür olduğundan emin olun.
- Veri toplama ve davranışsal görev başlamadan önce en az 1 dakika için bazal aktivite elde.
- Konu görevi gerçekleştirir yakalanan verileri takip etmek önemlidir. Edinimi herhangi bir kesinti ile, görev durdurulur ve sorun doğrultulmuş olmalıdır.
- Bu çalışmada, bu konuda her STN derinliği 120 denemeler yapmak için istenir.
- Görevler birden çok kez STN her derinlik için yapılabilir; ancak, sınırlamalar bu intra-operatif çalışmalar (tartışma daha sonra açıklanacaktır) süresi vardır. Biz cerrahi hasta rahatsızlık ve aşırı uzaması önlemek için 30 dakika deneysel kayıt süresi sınırı. Ayrıca, konu, davranış görev durdurulur ve cerrahi devam eder, bu durumda, herhangi bir zamanda daha fazla kayıtları reddetme şansına sahiptir.
- Çalışma tamamlandıktan sonra, veri yedeklenir ve sonraki analiz için arşivlenir.
6. Veri Analizi
- Öncelikle, nöronal sinyalleri piyasada mevcut yazılım kullanarak tek tek başak damgaları ayrımcılığa maruz kalıyorlar.
- Davranışsal görev kodları çözümlenir ve nöronal aktivite damgaları Matlab komut dosyası kodu kullanılarak hizalanır.
Temsilcisi Sonuçlar:
Şekil 1 yukarıda açıklanan Savaşı oyunu sırasında kaydedilen tek bir STN nöron temsilcisi sonuçlar gösteriyor. Top panelleri görevi dört davranışsal ilgili dönemini merkezli rasterlar betimliyor: Her denemede önce fiksasyon süresi, konusu kartı tanıtımı, konu belirten düğmeye basın bahis ve bilgisayarın kartı tanıtımı. Alt paneller peri-uyaran zaman histogramlar (PSTHs) (50 ms kutuları) binned temsil eder. Bu nöron konusu kartı tanıtımı için güçlü bir cevap vermez, fakat ateşleme düğmesine basınız çevresinde önemli ölçüde artırır. Bu etkinlik bilgisayarın kart atış noktası başlangıç seviyelerine kadar düşmektedir ortaya kadar sürer.
Şekil 1. Temsilcisi STN nöron Raster (üst paneller) ve peri-uyaran zaman histogramlar (PSTHs) davranışsal ilgili dönemini temsil eden bir tek STN nöron tasvir yoğunlaştı. Bu nöronun ateşleme düğmesine basınız konu bahis belirten sefer önemli ölçüde artırır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Derin beyin stimülasyonu ameliyatı, insan beyninde her bir nöron aktivitesini incelemek için değerli bir fırsat sunmaktadır. Bu fırsatı Bugüne kadar farklı derin çekirdeğinin faaliyetleri karakterize çok sayıda açıklayıcı çalışmalar için izin verdi. Daha yakın zamanlarda, intra-operatif görevler, davranış ve bilişsel çeşitli yönleriyle ele almak üzere daha sofistike bir hale gelmiştir. Mevcut protokolün amacı, intra-operatif davranış başarılı görevlerin uygulanması için bir kılavuz sağlamak için. Çalışmanın amacı, görev ve amaçları elbette ameliyat için hedeflenen çekirdeği bağlı olarak değişir. DBS cerrahi uygulamaları ve buna paralel olarak artan çeşitli hedeflerin sayısının artması göz önüne alındığında, insan beyninin fonksiyonu bireysel nöronlar düzeyinde eğitim için filizlenen fırsatları bekliyoruz.
Intra-operatif bir çalışma uygularken dikkate alınması gereken faktörleri ve kritik adımlar vardır. En önemlisi, bu çalışmalar için önemli bir zaman sınırlamaları vardır, sınırlı sayıda, her konu için bir araya olabilir davranışsal çalışmaların sonuçları. Bu nedenle, bir görev tasarlarken, düşünceli bir etkisini görmek için yeterli istatistiksel güç sağlamak için görev koşulları sınırlamanız gerekir. Bu sınırlama üstesinden gelmek için yollar vardır. Bir deneme durum permütasyon sayısını azaltmak için deneyebilirsiniz, deneme dizilerinin karmaşıklığı basitleştirmek ve / veya sadece daha fazla veri toplamak. Bu çalışmaların ikinci bir önemli sınırlama nörofizyolojik veri kalitesi. Tek birim izolasyon ameliyathane ayarı yapılır ve laboratuvar, istikrarlı yüksek sinyal-gürültü oranı kayıtları elde etmek zor olduğu için. Nöronal sinyal kalitesini erken davranışsal bir oturumda azalırsa, bir görevi durdurmak ve yeni nöronlar izole tavsiye edilir. Son, kritik adım davranışsal görevi ana hasta Yeterli zaman izin veriyor. Eğer bu adımı göz ardı edilir, elde edilen verilerin büyük olasılıkla öğrenme etkileri tarafından eleştirilmiştir olacaktır. Bu nedenle, ameliyat öncesi dönemde bu konuda eğitimli ve tam görev anladığı sağlamak için kullanmaktadır.
Intra-operatif çalışmalar, insan beyninin ve patoloji anlamak için gerçekten eşsiz bir fırsat sağlar. Ancak, bu deneyler, bir ameliyathane dinamik koşullarda ortaya çıkar ve bu nedenle tipik bir araştırma laboratuvarı iyi kontrollü bir ortamda görülen komplikasyonlara tabidir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Çıkar çatışması ilan etti.
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; |
|||
References
- 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).
- Deuschl, G. A randomized trial of deep-brain stimulation for Parkinson's disease. N. Engl. J. Med. 355 (9), 896-896 (2006).
- Gale, J. T. From symphony to cacophony: Pathophysiology of the human basal ganglia in Parkinson disease. Neurosci. Biobehav. Rev. , (2007).
- Williams, Z. M. Human anterior cingulate neurons and the integration of monetary reward with motor responses. Nat. Neurosci. 7 (12), 1370-1370 (2004).
- Zaghloul, K. A. Human substantia nigra neurons encode unexpected financial rewards. Science. 323 (5920), 1496-1496 (2009).
