Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Medicine

Intraoperativ Behavioral Uppgifter i Vakna Människan genomgår en genomgripande Kirurgi Brain Stimulation

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

Summary

Deep Brain Stimulation kirurgi erbjuder en unik möjlighet att granska informationen kodning i vaken mänskliga hjärnan. Denna artikel kommer att beskriva intraoperativ metoder som används för att utföra kognitiva och beteendemässiga uppgifter samtidigt förvärva fysiologiska data såsom EMG, single-unit nervaktivitet och / eller lokala potentialer fältet.

Abstract

Deep Brain Stimulation (DBS) är ett kirurgiskt ingrepp som leder kronisk, högfrekvent elektrisk stimulans för att specifika mål i hjärnan via implanterade elektroder. Deep Brain Stimulation infördes först som en terapeutisk modalitet genom Benabid et al. I slutet av 1980, när han använde denna teknik för att stimulera den ventrala mellanliggande kärnan i thalamus för behandling av tremor 1. För närvarande är det förfarande som används för att behandla patienter som inte svarar tillräckligt på medicinsk behandling för sjukdomar som Parkinson, dystoni och essentiell tremor. Effekten av detta förfarande för behandling av Parkinsons sjukdom har visats i väl-drivna, randomiserade, kontrollerade studier 2. För närvarande har den amerikanska Food and Drug Administration godkänt DBS som behandling för patienter med medicinskt refraktär essentiell tremor, Parkinsons sjukdom och dystoni. Dessutom är DBS utvärderas för närvarande för behandling av andra psykiatriska och neurologiska sjukdomar, såsom tvångssyndrom, depression och epilepsi.

DBS har inte bara visat sig hjälpa människor genom att förbättra deras livskvalitet, det ger också forskare en unik möjlighet att studera och förstå den mänskliga hjärnan. Mikroelektrod inspelningar rutinmässigt vid DBS operation för att öka precisionen i anatomiska inriktning. Firing mönster av enskilda nervceller kan därför spelas in när personen i fråga utför ett beteende uppgift. Tidiga studier med hjälp av dessa data fokuserar på beskrivande aspekter, inklusive bränning och burst-och frekvensmodulering 3. Nyare studier har fokuserat på kognitiva aspekter av beteende i förhållande till nervaktivitet 4,5. Denna artikel kommer att ge en beskrivning av intraoperativ metoder som används för att utföra beteende-uppgifter och registrera neuronala data med vakna patienter under DBS fall. Vår redogörelse för processen att skaffa elektrofysiologiska data kommer att belysa aktuella omfattning och avgränsning av intraoperativ mänskliga experiment.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. Ämne Rekrytering och Samtycke

  1. Efter klinisk utvärdering och godkännande för subthalamic kärna (STN) Deep Brain Stimulation (DBS) för eldfasta Parkinsons sjukdom är varje patients information som granskas för att avgöra om han / hon uppfyller kriterierna för intra-operativ studie (Definieras i en institutionell översyn Styrelsen godkände protokoll vid Massachusetts General Hospital).
  2. Om det beslutas att ämnet uppfyller studien kriterier, närmar sig en läkare medlem i studiegruppen (inte den operativa kirurg) för patienten att diskutera möjligheten att delta i studien.
  3. Samtyckesformuläret för deltagande i studien är sedan granskas och förklaras till ämnet. Viktigt betonar förklaring av studien att deltagande i studien är frivilligt och att när som helst han / hon har möjlighet att dra sig ur deltagande. Dessutom är det då betonas att deras diskussion att delta eller att dra i studien har ingen inverkan på den vård han / hon kommer att få.
  4. Om det beslutas att ämnet förstår och samtycker till att delta i studien, han / hon undertecknar godkända informerat samtycke och är inskrivna i studien.

2. Beteendeträning och rigg Setup

  1. Som en del av DBS kirurgi för Parkinsons sjukdom, är ämnen in på sjukhuset en dag före operation. Därför erbjuder detta en möjlighet att träna på motivet på beteendevetenskaplig uppgiften. Denna utbildning är viktigt eftersom det ger en tidsperiod under vilken ämnet kan lära sig att utföra uppgiften och utveckla komfort med dess regler, ta bort "learning effects" blandar ihop (se diskussion).
  2. En bärbar beteende rigg kommer till ämnet sjukhus rum på natten före operation.
  3. Denna rigg är utrustad med exakt samma beteende uppgift som motivet är skyldig att utföra på dagen för intraoperativ studie.
    1. I detta exempel är ämnet ombedd att spela ett kortspel som liknar spelet "krig". I det här spelet, är ämnet som krävs för att satsa (antingen $ 20 eller $ 5) om huruvida hans eller hennes kort är högre än på datorn. Avsikten med denna uppgift är att analysera vilken roll belöning och risk på neuronalt kodning i STN. För att stimulera ämne som de får höra att de kommer att betalas en del av sina vinster.
    2. Som ett sätt att minska de potentiella kombinationer (och resulterande blandar ihop), endast jämna kort av en enda färg används (t.ex. 2, 4, 6, 8 och 10 i spader). Som sådan kan den potentiella utfall och förväntningar uppgiften lätt beräknas och analyseras.
    3. I varje studie ser ämnet först en skärm som visar deras slumpmässigt behandlas kort och på baksidan av okända datorns kort. Skärmen visar då två satsa alternativ, $ 5 och $ 20. Baserat på den relativa styrkan av hans / hennes kort, visar motivet insatsen med ett knapptryck, varefter skärmen visar hans / hennes kort och visade datorns kort. Den slutliga skärmen visar tydligt hur mycket vunnit eller förlorat.
  4. Ämnet är tillåtet att spela spelet tills de helt förstår spelreglerna och prestera på en behaglig nivå.

3. Intraoperativ - experiment

  1. När motivet har varit placerad på den kirurgiska tabellen är riggen som innehåller beteendemässiga, datainsamling och signalbehandling utrustning förs in i operationssalen. Rigg positionering måste ta hänsyn till normala arbetsflöde och frågor sterilitet relaterade till operationssalen inställning.
  2. Som komponenter i dessa riggar monteras och demonteras för varje inspelningen, är det viktigt att kontrollera all utrustning anslutningar. Därför, som varje komponent är ansluten till det informationsinsamlande systemet, måste man kontrollera integriteten av uppgifterna. Dessa förfaranden bör göras tidigt på operation för att förhindra att behöva felsöka dessa frågor under den kritiska inspelningstid.
    1. Först starta förvärvet och signalbehandling utrustningen. Anslut utgångarna på signalbehandling riggen till ingångarna av förvärvet riggen. Vid denna studie kommer vi att skaffa tre extra-cellulär kanaler aktionspotentialens motsvarande tre para-sagittally orienterade elektroder som kommer att vara långt in på ämnet hjärna under operationen. Slå på förstärkare en i taget för att se till att förvärvet är att förvärva signaler.
    2. Fäst bildskärmen till eller bord i bekväm visning läge med en lämplig adapter.
    3. Om en inmatningsenhet (joystick, knapp låda, tangentbord, etc.) är anställd, position denna enhet uppmärksamma Laterality förhållande till den sida av hjärnan som inspelningar kommer att erhållas. Se till att motivet hand bekvämt placerad för att driva inmatningsenhet. Överväg att be narkosläkaren till secure pulsen syresättning skärmen på andra sidan för att säkerställa korrekt funktion hos enheten. I denna uppgift skall vi använda en knapp låda.
    4. Starta beteende systemet och se till att beteendemässig händelse markörer som registreras av förvärvet riggen.
    5. Starta beteende uppgiften och låta motivet att spela några prövningar av uppgiften. Under denna tid, se till att förvärvet är att fånga in-knappen rutan och beteendemässiga markörer som genereras av beteendemässiga riggen.
    6. Om alla anslutningar är funktionella, stoppa beteendemässiga uppgift och förvärv rigg.

4. Isolering av Subthalamic Nucleus Neuroner

  1. Målen för kirurgi är att placera kroniska DBS leder in i motorn region i STN. Den här placeringen är åstadkommas genom en kombination av stereotaktisk bildbehandling och neuophysiological inspelningar.
  2. Information om stereotaktisk planering och det kirurgiska ingreppet i sig kommer naturligtvis att variera mellan institutioner, men den allmänna processen är likartad. På vår institution är en Cosman-Roberts-Wells stereotaktisk ram och referenspunkternas bur tillämpas och ett huvud datortomografi erhållits. CT med fiducials slås samman med en tidigare erhållna volymetrisk hjärn-MRI på en neuro-navigationssystem (StealthStation, Medtronics, Minneapolis, MN, eller BrainLab VectorVision, Feldkirchen, Tyskland). Koordinaterna för målet hjärnan regionen (STN i detta fall) omvandlas till ram-baserade koordinater. I operationssalen, är patienten placeras bekvämt i ett halvt tillbakalutad position och förberedd och draperad med standard kirurgisk teknik. Koordinaterna för den vänstra STN programmeras i ramen, som är placerad på patienten. Huden är anskäras och indragen. Burr hålen är placerade, och en liten dural öppning skapas. Kanyler ansluten till en Microdrive förs på plats och avancerade till toppen av kanyler är 25 mm över målet.
  3. När kanyler är avancerade in i hjärnan, är de interna stylets bort och ersätts med hög impedans (0,3 till 1 mega-ohm) microelectrodes (FHC, Bowdoin, ME). Den signalbehandling rigg pre-förstärkare är kopplad till varje elektrod och differential referenskanalen är ansluten till den yttre kanylen.
  4. På signalbehandling rigg förstärkarna är påslagen och extracellulär signal bedöms. Dessutom är impedansen för varje elektrod kontrolleras innan avancera längre in i hjärnan.
  5. Kirurgen framsteg elektroderna långsamt (0,05 till 0,4 mm steg) in i hjärnan. Elektroderna är avancerade börjar 25mm från den beräknade målet mot STN. Denna bana resulterar i elektroden som passerar genom caudatus nucleus, thalamus, zona INSERTA, och slutligen in i STN.
  6. När elektroderna har kommit in på STN, manipulerar fysiologen patientens kontralaterala lemmar som ett sätt att fastställa om neuronala signalen är motorn lyhörd. När kirurgen och försöksledaren är nöjda med elektroder ställning, kan beteendemässiga uppgiften startas.

5. Data Acquisition

  1. Innan beteende uppgiften är det viktigt att dokumentera djup microelectrodes och motorn lyhördhet av de isolerade neuron (s).
  2. Ämnet är då i uppdrag att uppgiften börjar. Se till att knappen boxen fortfarande bekvämt placerad och att bildskärmen är helt synligt.
  3. Starta datainsamling och förvärva grundläggande aktivitet i minst 1 minut före start av beteende uppgiften.
  4. Eftersom ämnet utför uppgiften är det viktigt att övervaka fångade data. Med störningar i förvärvet, ska uppgiften avbrytas och problemet åtgärdas.
  5. I den aktuella studien, är föremål uppdrag att göra 120 försök för varje STN djup.
  6. Uppgifterna kan utföras flera gånger för varje djup i STN, men det finns begränsningar för hur länge dessa intraoperativ studier (beskrivs ytterligare i diskussionen). Vi begränsar experimentella inspelningstiden till 30 minuter för att förhindra obehag för patienten och otillbörlig förlängning av kirurgi. Dessutom har ämnet en möjlighet att avvisa ytterligare inspelningar när som helst, i vilket fall beteende uppgiften stoppas och återupptas kirurgi.
  7. När studien är klar, data säkerhetskopieras och arkiveras för senare analys.

6. Data Analysis

  1. Först är de neuronala signaler diskriminerade i enskilda spik tidsstämplar hjälp av kommersiellt tillgängliga program.
  2. Den beteendemässiga uppgift koder då tolkas, och nervaktivitet tidsstämplar är i linje med koden skript i Matlab.

Representativa resultat:

Figur 1 visar representativa resultat från ett enda STN neuron registrerats under The War Game beskrivs ovan. TOP-paneler skildra raster centrerad på fyra beteendemässigt relevant epoker i uppgiften: upptagning perioden före varje rättegång, presentation av ämnet kort, är det knapptryckning som visar motivet satsning, och presentation av datorns kort. Den nedre panelerna representerar binned (50 ms soptunnor) peri-stimulus tid histogram (PSTHs). Detta neuron svarar inte kraftigt till presentation av ämnets kortet, men ökar eldning avsevärt runt knapptryck. Denna aktivitet varar tills datorns kortet är avslöjat, varefter bränning minskar till basnivåer.

Figur 1
Figur 1. Representant STN neuron. Raster (krönskivor) och peri-stimulus tid histogram (PSTHs) centrerad på beteendemässigt relevant epoker skildras för en representativ enda STN neuron. Detta neuron är bränning ökar betydligt vid tiden för knapptryck anger motivet satsning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Deep Brain Stimulation kirurgi erbjuder en värdefull möjlighet att undersöka aktiviteten hos enskilda nervceller i den mänskliga hjärnan. Hittills denna möjlighet har tillåtit många deskriptiva studier som präglar verksamheten på olika djup kärnor. På senare tid har intraoperativ arbetsuppgifter blivit mer sofistikerade för att hantera olika aspekter av beteende och kognition. Avsikten av det nuvarande protokollet är att ge en vägledning för att genomföra framgångsrika intraoperativ beteende uppgifter. Målen för uppgiften och syftet med studien kommer naturligtvis att variera beroende på kärnan riktade för operation. Med tanke på det ökande antalet ansökningar om DBS operation och motsvarande ökande mängd mål räknar vi med spirande möjligheter att studera mänskliga hjärnans funktion i nivå med enskilda nervceller.

Det finns ett antal faktorer och kritiska steg som måste beaktas vid genomförandet av en intraoperativ undersökning. Främst finns det stora tidsbegränsningar till dessa studier, vilket resulterar i ett begränsat antal beteendemässiga prövningar som kan samlas in för varje ämne. Därför när man utformar en uppgift, bör man begränsa eftertänksamt antalet förhållandena i uppgift att säkerställa tillräcklig statistisk styrka för att se en effekt. Det finns flera sätt att övervinna denna begränsning. Man kan försöka minska antalet permutationer rättegång skick, förenkla komplexiteten i rättegången sekvenser och / eller helt enkelt samla in fler uppgifter. En andra väsentlig begränsning till dessa studier är kvaliteten på de neurofysiologiska data. Eftersom en enda enhet isolering sker i operationssalen inställningen och inte laboratoriet, stabilt högt signal-brusförhållande inspelningar är svåra att nå. Om kvaliteten på neuronala signaler minskar tidigt i ett beteende-session, rekommenderas att man stoppar uppgift och isolera nya nervceller. En sista, avgörande steget är att låta patienten tillräckligt med tid att behärska beteende uppgiften. Om detta steg förbises, kommer de insamlade uppgifterna sannolikt komma på skam genom att lära effekter. Därför utnyttja den preoperativa perioden för att säkerställa att ämnet är utbildad och har full förståelse för uppgiften.

Intraoperativ studier ger en unik möjlighet att förstå den mänskliga hjärnan och patologi. Men dessa försök sker i den dynamiska förhållanden en operationssal och är därför föremål för komplikationer inte normalt sett i väl kontrollerade miljön i ett forskningslaboratorium.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Inga intressekonflikter deklareras.

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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).
Intraoperativ Behavioral Uppgifter i Vakna Människan genomgår en genomgripande Kirurgi Brain Stimulation
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter