Summary
Cirurgia de estimulação profunda do cérebro oferece uma oportunidade única para examinar codificação de informações no cérebro humano acordado. Este artigo irá descrever intra-operatória métodos usados para realizar tarefas cognitivas e comportamentais, enquanto, simultaneamente, a aquisição de dados fisiológicos, tais como EMG, unidade única atividade neuronal e / ou potenciais de campo locais.
Abstract
Estimulação cerebral profunda (DBS) é um procedimento cirúrgico que direciona crônica, a estimulação elétrica de alta freqüência a alvos específicos no cérebro através de eletrodos implantados. Estimulação cerebral profunda foi implementado pela primeira vez como uma modalidade terapêutica por Benabid et al. No final de 1980, quando ele usou esta técnica para estimular o núcleo ventral intermediário do tálamo para o tratamento do tremor 1. Atualmente, o procedimento é usado para tratar pacientes que não respondem adequadamente ao tratamento médico para doenças como Parkinson, distonia e tremor essencial. A eficácia desse procedimento para o tratamento da doença de Parkinson foi demonstrada em bem-alimentado, ensaios clínicos randomizados 2. Atualmente, os EUA Food and Drug Administration aprovou DBS como um tratamento para pacientes com tremor essencial refratária, doença de Parkinson, e distonia. Além disso, DBS está atualmente sendo avaliado para o tratamento de outros transtornos psiquiátricos e neurológicos, como transtorno obsessivo compulsivo, transtorno depressivo maior, e epilepsia.
DBS não só foi mostrado para ajudar as pessoas, melhorando sua qualidade de vida, ela também fornece aos pesquisadores a oportunidade única de estudar e compreender o cérebro humano. Gravações de microeletrodos são rotineiramente realizados durante a cirurgia DBS, a fim de melhorar a precisão da segmentação anatômica. Padrões de disparo dos neurônios individuais podem, portanto, ser registrado enquanto a pessoa executa uma tarefa comportamental. Os primeiros estudos utilizando esses dados focada em aspectos descritivos, incluindo as taxas de queima e explosão, e modulação de frequência 3. Estudos mais recentes têm-se centrado em aspectos cognitivos do comportamento em relação à atividade neuronal 4,5. Este artigo irá fornecer uma descrição dos métodos intra-operatória usado para executar tarefas comportamentais e registrar dados neuronal com os pacientes acordados durante casos DBS. Nossa exposição do processo de aquisição de dados eletrofisiológicos vai iluminar o escopo atual e as limitações do intra-operatório experiências humanas.
Protocol
1. Recrutamento assunto e Consentimento
- Após avaliação clínica e consentimento para núcleo subtalâmico (STN) estimulação cerebral profunda (DBS) para a doença de Parkinson refratária, informações de cada paciente é revista a fim de determinar se ele / ela satisfaz os critérios para o estudo intra-operatório (definidos em uma Revisão Institucional conselho aprovou o protocolo do Massachusetts General Hospital).
- Se for determinado que o assunto atende aos critérios do estudo, um membro médico do grupo de estudo (não o cirurgião operacional) se aproxima do paciente para discutir a possibilidade de participação no estudo.
- O formulário de consentimento para participar no estudo é, então, revistos e explicados ao assunto. Importante, a explicação do estudo salienta que a participação no estudo é voluntária e que em nenhum momento ele / ela tem a opção de retirar sua participação. Além disso, é, em seguida, enfatizou que a discussão a participar ou retirar no estudo não tem qualquer impacto sobre os cuidados médicos que ele / ela irá receber.
- Se for determinado que o sujeito compreende e concorda em participar do estudo, ele / ela assina o consentimento informado aprovado e está matriculado no estudo.
2. Instalação e treinamento comportamental Rig
- Como parte do DBS cirurgia para a doença de Parkinson, os indivíduos são admitidos no hospital um dia antes da cirurgia. Assim, este oferece uma oportunidade de treinar o assunto na tarefa comportamental. Esta formação é essencial, pois proporciona um período de tempo durante o qual o sujeito pode aprender a executar a tarefa e desenvolver o conforto com as suas regras, retirando os "efeitos de aprendizagem" confunde (Consulte a discussão).
- A plataforma portátil de comportamento é trazido para o quarto do sujeito hospital na noite antes da cirurgia.
- Este equipamento está equipado com a mesma tarefa exata de comportamento que o sujeito é obrigado a executar no dia do estudo intra-operatório.
- Neste exemplo, o sujeito é convidado a jogar um jogo de cartas semelhante ao jogo de "guerra". Neste jogo, o sujeito é obrigado a apostar (ou US $ 20 ou US $ 5) para saber se seu cartão é maior que a do computador. A intenção desta tarefa é a análise do papel da recompensa e do risco de codificação neuronal na STN. , A fim de incentivar o assunto que lhes é dito que será pago uma parte dos seus ganhos.
- Como um meio de reduzir as combinações possíveis (e confunde resultante), apenas os cartões de número par de um processo simples são usadas (por exemplo, 2, 4, 6, 8 e 10 de espadas). Como tal, os resultados potenciais e as expectativas da tarefa pode ser facilmente calculado e analisado.
- Em cada ensaio, o primeiro sujeito vê uma tela retratando o seu cartão aleatoriamente distribuídas, eo verso do cartão o computador desconhecido. A tela então mostra as duas opções de aposta, $ 5 e $ 20. Com base na força relativa de sua / seu cartão, o sujeito indica a aposta com um botão, após o que a tela mostra a sua / seu cartão eo cartão do computador é revelado. A tela final explicitamente descreve o montante ganho ou perdido.
- O assunto é permitido jogar o jogo até que eles compreender totalmente as regras do jogo e executar em um nível confortável.
3. Intra-operatório - Experimental Setup
- Uma vez que o assunto foi colocado na mesa cirúrgica, o equipamento que contém a aquisição, comportamentais dados e equipamentos de processamento de sinal é trazido para a sala de operação. Rig posicionamento deve levar em consideração o fluxo normal de trabalho e questões relacionadas com a esterilidade ambiente da sala de operação.
- Como componentes desses equipamentos são montados e desmontados para cada sessão de gravação, é vital para verificar todas as conexões de equipamento. Portanto, como cada componente é conectado ao sistema de aquisição de dados, deve-se verificar a integridade dos dados. Estes procedimentos devem ser feitos no início da cirurgia para evitar ter de solucionar esses problemas durante o tempo de gravação crítica.
- Primeiro, inicie a aquisição e os equipamentos de processamento de sinal. Ligue as saídas da plataforma de processamento de sinal para as entradas do equipamento de aquisição. No caso deste estudo, estaremos adquirindo três canais extra-celular do potencial de ação correspondente a três para-sagital orientada eletrodos que serão avançados no cérebro do sujeito durante a cirurgia. Ligue a um amplificadores de cada vez para garantir que o sistema de aquisição está adquirindo os sinais.
- Fixe o monitor para o OR de mesa em posição de visualização confortável usando um adaptador apropriado.
- Se um dispositivo de entrada (caixa de joystick, botão, teclado, etc) é empregado, a posição deste dispositivo, prestando atenção a lateralidade em relação ao lado do cérebro a partir do qual as gravações serão obtidos. Garantir que a mão do sujeito está confortavelmente posicionados para operar o dispositivo de entrada. Considere pedir para o anestesiologista secure o monitor de pulso oxigenação por outro lado, para garantir o funcionamento adequado do dispositivo. Nesta tarefa, usamos uma caixa de botão.
- Inicializar o sistema comportamental e garantir que os marcadores de eventos comportamentais estão sendo capturadas por uma plataforma de aquisição.
- Iniciar a tarefa comportamental e permitir que o assunto para jogar alguns testes da tarefa. Durante este tempo, garantir que o sistema de aquisição está capturando as entradas botão de caixa e os marcadores comportamentais geradas pela plataforma de comportamento.
- Se todas as conexões são funcionais, interromper a tarefa comportamental e equipamento de aquisição.
4. Isolamento de neurônios do núcleo subtalâmico
- Os objetivos da cirurgia são para colocar DBS crônica leva para a região motor do STN. Esse posicionamento é conseguido através de uma combinação de imagens e gravações neuophysiological estereotáxica.
- Detalhes do planejamento estereotáxico eo procedimento cirúrgico em si, naturalmente, variam entre as instituições, mas o processo geral é semelhante. Em nossa instituição, uma moldura estereotáxica Cosman-Roberts-Wells e gaiola fiducial é aplicada e uma tomografia computadorizada da cabeça obtidos. O CT com fiducials é mesclado com um obtido anteriormente volumétrica do cérebro MRI em um sistema neuro-navegação (StealthStation, Medtronics, Minneapolis, MN, ou VectorVision BrainLab, Feldkirchen, Alemanha). As coordenadas do alvo a região do cérebro (STN, neste caso) são convertidos em frame-based coordenadas. Na sala de cirurgia, o paciente é posicionado confortavelmente em uma posição semi-reclinada, e preparado e drapejado utilizando técnica cirúrgica padrão. As coordenadas da STN esquerda estão programadas para o quadro, que é posicionado sobre o paciente. A pele é incisada e retraída. Burr buracos são colocadas, e uma pequena abertura dural criado. Cânulas anexado a um microdrive são trazidos para a posição e avançou até a ponta da cânula são 25 mm acima do alvo.
- Uma vez que as cânulas são avançados no cérebro, os estiletes internos são removidos e substituídos com alta impedância (0.3 - 1 mega-ohm) microeletrodos (FHC, Bowdoin, ME). O equipamento de processamento de sinal de pré-amplificadores são ligados uns aos eletrodos e do canal de referência diferencial é conectada à cânula externa.
- Na plataforma de processamento de sinal dos amplificadores são ligados eo sinal extra-celular é avaliada. Além disso, a impedância de cada eletrodo é verificada antes de avançar mais para o cérebro.
- O cirurgião avança lentamente os eletrodos (0,05-0,4 passos mm) para o cérebro. Os eletrodos são avançadas de partida 25 milímetros do alvo calculado para a STN. Essa trajetória resultados no eletrodo passando pelo núcleo caudado, tálamo, o INSERTA zona e, finalmente, para a STN.
- Uma vez que os eletrodos tenham entrado no STN, o fisiologista manipula membros contralateral do paciente como um meio de determinar se o sinal neuronal motora é responsivo. Quando o cirurgião e pesquisador estão satisfeitos com a posição dos eletrodos, a tarefa comportamental pode ser iniciado.
5. Aquisição de Dados
- Antes de iniciar a tarefa comportamental, é importante para documentar a profundidade dos microeletrodos ea resposta do motor do neurônio isolado (s).
- O assunto é, então, instruiu que a tarefa começará. Certifique-se que a caixa de botão é ainda confortavelmente posicionados e que o monitor completamente visível.
- Iniciar a aquisição de dados e aquisição de linha de base para a atividade, pelo menos, um minuto antes de iniciar a tarefa comportamental.
- Como o sujeito executa a tarefa é importante para monitorar os dados capturados. Com qualquer perturbação da aquisição, a tarefa deve ser interrompida eo problema corrigido.
- No estudo atual, o sujeito é solicitado a realizar 120 testes para cada profundidade STN.
- As tarefas podem ser executadas várias vezes para cada profundidade na STN, no entanto, existem limitações para a duração destes estudos intra-operatório (descritos mais detalhadamente na discussão). Nós limitamos o tempo de gravação experimental a 30 minutos para evitar o desconforto do paciente e prolongamento indevido da cirurgia. Além disso, o sujeito tem a oportunidade de rejeitar outras gravações a qualquer momento, caso em que a tarefa comportamental é interrompido e recomeça a cirurgia.
- Uma vez que o estudo estiver concluído, os dados são copiados e arquivados para posterior análise.
6. Análise de Dados
- Primeiro, os sinais neuronais são discriminadas em timestamps individuais pico usando software disponível comercialmente.
- Os códigos comportamentais tarefa são, então, analisado, e os timestamps atividade neuronal são alinhadas usando o código script no Matlab.
Resultados representativos:
A Figura 1 mostra os resultados representante de um único neurônio STN registados durante o jogo War descrito acima. O tOs painéis retratam op rasters centrada em quatro épocas comportamentalmente relevante na tarefa: o período de fixação antes de cada julgamento, a apresentação do cartão do sujeito, a pressionar o botão que indica o sujeito aposta, e apresentação do cartão do computador. Os painéis de fundo representam binned (50 caixas ms) histogramas peri-estímulo tempo (PSTHs). Este neurônio não responder robustamente a apresentação do cartão do sujeito, mas aumenta a sua demissão de forma significativa ao redor do botão. Esta atividade dura até o cartão do computador é revelado, em que ponto de disparo diminui para níveis basais.
Figura 1. Representante STN neurônio. Rasters (painéis superiores) e peri-estímulo tempo histogramas (PSTHs) centrado na épocas comportamentalmente relevantes são representados por um único representante STN neurônio. Este disparo dos neurônios aumenta significativamente em todo o tempo do botão que indica o sujeito aposta.
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Discussion
Cirurgia estimulação profunda do cérebro oferece uma oportunidade valiosa para examinar a atividade de neurônios individuais no cérebro humano. Até à data esta oportunidade permitiu numerosos estudos descritivos que caracterizam as atividades dos núcleos profundos diferentes. Mais recentemente, intra-operatório tarefas se tornaram mais sofisticados a fim de abordar vários aspectos do comportamento e cognição. A intenção do actual protocolo é fornecer um guia para a implementação bem sucedida intra-operatória tarefas comportamentais. Os objetivos da tarefa e do objetivo do estudo, naturalmente, variam de acordo com o núcleo alvo para a cirurgia. Dado o número crescente de aplicações para a cirurgia DBS e variedade correspondente aumento de metas, esperamos que as oportunidades crescentes para estudar o funcionamento do cérebro humano ao nível de neurônios individuais.
Há uma série de fatores e passos críticos que precisam ser considerada aquando da execução de um estudo intra-operatório. Acima de tudo, existem limitações de tempo considerável para esses estudos, o que resulta em um número limitado de ensaios comportamentais que podem ser recolhidas para cada assunto. Assim, ao projetar uma tarefa, deve-se cuidadosamente limitar o número de condições na tarefa de assegurar poder estatístico suficiente para ver o efeito. Há uma série de maneiras de superar essa limitação. Pode-se tentar reduzir o número de permutações condição de julgamento, simplificar a complexidade de seqüências de julgamento, e / ou, simplesmente, recolher mais dados. Uma segunda limitação substancial para estes estudos é a qualidade dos dados neurofisiológicos. Porque única unidade de isolamento é feito no ambiente sala de cirurgia e não o laboratório, estável alta gravações sinal-ruído são difíceis de alcançar. Se a qualidade do sinal neuronal diminui no início de uma sessão de comportamento, recomenda-se que uma interromper a tarefa e isolar novos neurônios. Um passo final e crítica está permitindo que o paciente o tempo suficiente para dominar a tarefa comportamental. Se essa etapa for ignorada, os dados recolhidos serão provavelmente confundido pelos efeitos de aprendizagem. Portanto, utilizar o período pré-operatório para assegurar que o assunto é treinado e compreende perfeitamente a tarefa.
Intra-operatório estudos oferecem uma oportunidade verdadeiramente única para entender o cérebro humano e patologia. No entanto, essas experiências ocorrem em condições dinâmicas de uma sala de cirurgia e portanto estão sujeitas a complicações normalmente não visto no ambiente bem controlado de um laboratório de pesquisa.
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Disclosures
Não há conflitos de interesse declarados.
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).
