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Medicine

Peropératoire tâches comportementales chez les humains subissent de profondes Awake Chirurgie stimulation cérébrale

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

Summary

La chirurgie de stimulation cérébrale profonde est une occasion unique d'examiner l'encodage des informations dans le cerveau éveillé humaine. Cet article décrit intra-opératoire les méthodes utilisées pour effectuer des tâches cognitives et comportementales, tout en acquérant des données physiologiques telles que l'activité EMG, une seule unité neuronale et / ou potentiels de champ local.

Abstract

La stimulation cérébrale profonde (DBS) est une procédure chirurgicale qui dirige chroniques, la stimulation électrique à haute fréquence à des cibles spécifiques dans le cerveau par des électrodes implantées. La stimulation cérébrale profonde a d'abord été mis en œuvre comme une modalité thérapeutique par Benabid et al. Dans la fin des années 1980, quand il a utilisé cette technique pour stimuler le noyau ventral intermédiaire du thalamus pour le traitement des tremblements 1. Actuellement, la procédure est utilisée pour traiter les patients qui ne répondent pas adéquatement au traitement médical pour des maladies telles que Parkinson, dystonie, et le tremblement essentiel. L'efficacité de cette procédure pour le traitement de la maladie de Parkinson a été démontrée dans le bien-alimentés, deux essais contrôlés randomisés. Actuellement, l'Administration US Food and Drug DBS a approuvé comme traitement pour les patients présentant un tremblement essentiel médicalement réfractaire, la maladie de Parkinson, et la dystonie. De plus, la DBS est actuellement évalué pour le traitement d'autres troubles psychiatriques et neurologiques, tels que le trouble obsessionnel compulsif, le trouble dépressif majeur, et l'épilepsie.

DBS a non seulement été montré pour aider les gens en améliorant leur qualité de vie, il fournit également aux chercheurs l'occasion unique d'étudier et de comprendre le cerveau humain. Enregistrements de microélectrodes sont réalisés en routine lors de la chirurgie DBS afin d'améliorer la précision du ciblage anatomique. Schémas des neurones individuels peuvent donc être enregistrés alors que le sujet effectue une tâche comportementale. Les premières études utilisant ces données axées sur les aspects descriptifs, y compris les tirs et les taux de l'éclatement, et 3 modulation de fréquence. Des études plus récentes ont porté sur les aspects cognitifs du comportement par rapport à l'activité neuronale 4,5. Cet article propose une description des méthodes per-opératoire utilisé pour effectuer des tâches comportementales et enregistrer des données neuronales avec les patients éveillés pendant des cas DBS. Notre exposition du processus d'acquisition de données électrophysiologiques illuminera la portée actuelle et les limites de per-opératoire des expériences humaines.

Protocol

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1. Le recrutement des sujets et consentement

  1. Suite à l'évaluation clinique et consentement pour noyau subthalamique (NST) la stimulation cérébrale profonde (DBS) pour Maladie de Parkinson réfractaires, les informations de chaque patient est examiné afin de déterminer si il / elle répond aux critères de l'étude intra-opératoire (défini dans un Institutional Review Conseil a approuvé le protocole à l'Hôpital général du Massachusetts).
  2. S'il est déterminé que le sujet répond aux critères de l'étude, un médecin membre du groupe d'étude (et non le chirurgien) se rapproche de la patiente pour discuter de la possibilité de participer à l'étude.
  3. Le formulaire de consentement pour participer à l'étude est ensuite examiné et expliqué à ce sujet. Surtout, l'explication de l'étude souligne que la participation à l'étude est volontaire et que, à tout moment, il / elle a la possibilité de se retirer de la participation. Par ailleurs, il est alors souligné que leurs discussions à participer ou à se retirer dans l'étude n'a pas d'impact sur les soins médicaux dont il / elle recevra.
  4. S'il est déterminé que le sujet comprend et accepte de participer à l'étude, il / elle signe le consentement éclairé approuvée et est inscrit à l'étude.

2. Comportementale de configuration et de la Formation Rig

  1. Comme une partie de la chirurgie DBS pour la maladie de Parkinson, les sujets sont admis à l'hôpital un jour avant la chirurgie. Ainsi, ce sera une occasion de former le sujet sur la tâche comportementale. Cette formation est essentielle car elle fournit une période de temps durant lequel le sujet peut apprendre à exécuter la tâche et de développer le confort avec ses règles, en supprimant les «effets d'apprentissage» confond (Se reporter à la discussion).
  2. Un gréement portables comportement est amené à la chambre d'hôpital du sujet dans la nuit avant la chirurgie.
  3. Ce banc est équipé de la tâche exacte comportement même où le sujet est requis pour effectuer le jour de l'étude intra-opératoire.
    1. Dans cet exemple, le sujet est appelé à jouer un jeu de cartes similaire au jeu de «guerre». Dans ce jeu, le sujet est nécessaire de parier (soit 20 $ ou 5 $) pour savoir si sa carte est supérieure à celle de l'ordinateur. Le but de cette tâche est de doser le rôle de la récompense et le risque sur le codage neuronal dans le STN. Afin d'inciter le sujet, on leur dit qu'ils seront payés un pourcentage de leurs gains.
    2. Comme un moyen de réduire les combinaisons possibles (et confond en résulte), seules les cartes paires d'un costume unique sont utilisés (par exemple 2, 4, 6, 8 et 10 de pique). En tant que tel, les résultats potentiels et les attentes de la tâche peut être facilement calculé et analysé.
    3. Dans chaque essai, le sujet voit d'abord un écran montrant leur carte distribuée au hasard, et le dos de la carte de l'ordinateur inconnu. L'écran affiche alors les deux options pari, 5 $ et 20 $. Basé sur la force relative de son / sa carte, le sujet indique que le pari avec un bouton-poussoir, après quoi l'écran affiche son / sa carte et la carte de l'ordinateur a révélé. Le dernier écran montre explicitement le montant gagné ou perdu.
  4. Le sujet est autorisé à jouer le jeu jusqu'à ce qu'ils comprennent bien les règles du jeu et d'effectuer à un niveau confortable.

3. Peropératoire - Expérimental Setup

  1. Une fois que le sujet a été placé sur la table d'opération, la plate-forme contenant le comportement, l'acquisition des données et des équipements de traitement du signal est amené dans la salle d'opération. Positionnement en forage doivent prendre en compte le flux de travail normales et les problèmes de stérilité liée à la mise en salle d'opération.
  2. En tant que composants de ces appareils sont assemblés et démontés pour chaque session d'enregistrement, il est essentiel de vérifier toutes les connexions de l'équipement. Par conséquent, étant donné que chaque composant est connecté au système d'acquisition de données, il faut vérifier l'intégrité des données. Ces procédures doivent être fait au début de l'opération pour éviter d'avoir à résoudre ces questions au cours de la durée d'enregistrement critique.
    1. Tout d'abord, démarrer l'acquisition et l'équipement de traitement du signal. Connectez les sorties de l'appareil de traitement du signal sur les entrées de la plate-forme d'acquisition. Dans le cas de cette étude, nous serons l'acquisition de trois extra-cellulaire des canaux potentiels d'action correspondant à trois para-sagittale orientée électrodes qui seront avancées dans le cerveau du sujet pendant la chirurgie. Allumez l'un des amplificateurs à la fois pour s'assurer que le système d'acquisition est l'acquisition des signaux.
    2. Fixez le moniteur à la table d'opération en position de visualisation confortable en utilisant un adaptateur approprié.
    3. Si un périphérique d'entrée (joystick, boîte à boutons, clavier, etc) est utilisé, la position de ce dispositif, attention à la latéralité par rapport au côté du cerveau à partir de laquelle les enregistrements seront obtenus. Assurez-vous que la main du sujet est confortablement installé pour faire fonctionner le périphérique d'entrée. Pensez à demander à l'anesthésiste secure le moniteur d'oxygénation d'impulsion, d'autre part pour assurer le bon fonctionnement de l'appareil. Dans cette tâche, nous utilisons une boîte à boutons.
    4. Démarrez le système de comportement et de s'assurer que des marqueurs d'événements comportementaux sont capturées par la plate-forme d'acquisition.
    5. Démarrer la tâche comportementale et permettre au sujet de jouer un peu d'essais de la tâche. Pendant ce temps, s'assurer que le système d'acquisition est la capture des entrées boîte à boutons et les marqueurs comportementaux générés par la plate-forme de comportement.
    6. Si toutes les connexions sont fonctionnels, arrêter la tâche comportementale et le gréement d'acquisition.

4. Isolement des neurones noyau sous-thalamique

  1. Les objectifs de la chirurgie sont à placer chroniques DBS conduit dans la région motrice du STN. Ce placement est réalisé par une combinaison de l'imagerie stéréotaxique et enregistrements neuophysiological.
  2. Les détails de la planification et la procédure stéréotaxique chirurgicale elle-même sera bien entendu varier selon les établissements, mais le processus général est similaire. Lors de notre institution, un cadre stéréotaxique Cosman-Roberts-Wells et de la cage repères est appliquée et une tête scanner obtenu. Le CT avec repères est fusionné avec un cerveau préalablement obtenu volumétrique par IRM sur un système de neuro-navigation (StealthStation, Medtronics, Minneapolis, MN, ou BrainLab VectorVision, Feldkirchen, Allemagne). Les coordonnées de la région du cerveau cible (STN dans ce cas) sont convertis en base de trames coordonnées. Dans la salle d'opération, le patient est positionné confortablement dans une position semi-allongée, et préparé et drapé en utilisant la norme technique chirurgicale. Les coordonnées de la gauche STN sont programmés dans le cadre, qui est positionnée sur le patient. La peau est incisée et rétractée. Burr trous sont placés, et une petite ouverture durale créé. Canules attaché à un microdrive sont amenés en position et avancé jusqu'à l'extrémité de la canule de 25 mm dessus de la cible.
  3. Une fois que les canules sont avancés dans le cerveau, les stylets internes sont supprimées et remplacées par impédance élevée (0,3 - 1 méga-ohms) microélectrodes (FHC, Bowdoin, ME). La plate-forme de traitement du signal de pré-amplificateurs sont connectés à chaque électrode et le canal de référence différentiel est connecté à la canule extérieure.
  4. Sur la plate-forme de traitement du signal des amplificateurs sont allumés et le signal extra-cellulaire est évaluée. En outre, l'impédance de chaque électrode est vérifiée avant d'avancer plus loin dans le cerveau.
  5. Le chirurgien progrès des électrodes lentement (de 0.05 à 0.4 mm étapes) dans le cerveau. Les électrodes sont avancés à partir de 25mm de la cible calculée vers le RTC. Cette trajectoire se traduit par l'électrode en passant par le noyau caudé, le thalamus, le inserta zona, et enfin dans les STN.
  6. Une fois les électrodes sont entrés dans le STN, le physiologiste manipule des membres controlatéraux du patient comme un moyen d'établir si le signal neuronal est réceptif moteur. Lorsque le chirurgien et l'expérimentateur sont satisfaits de la position des électrodes, la tâche comportementale peut être démarré.

5. Acquisition de données

  1. Avant de commencer la tâche comportementale, il est important de documenter la profondeur de la microélectrodes et la réactivité du moteur du neurone isolé (s).
  2. Le sujet est alors demandé que la tâche va commencer. S'assurer que la boîte à boutons est toujours confortablement installé et que le moniteur complètement visible.
  3. Démarrer l'acquisition de données et d'acquérir son activité de base pour au moins 1 minute avant de commencer la tâche comportementale.
  4. Comme le sujet exécute la tâche, il est important de surveiller les données capturées. Avec toute perturbation dans l'acquisition, la tâche doit être arrêtée et le problème corrigé.
  5. Dans l'étude actuelle, le sujet est demandé d'effectuer 120 essais pour chaque profondeur STN.
  6. Les tâches peuvent être effectuées à plusieurs reprises pour chaque profondeur dans le STN, mais il ya des limites à la durée de ces études intra-opératoire (décrit plus loin dans la discussion). Nous limitons le temps d'enregistrement expérimental de 30 minutes pour éviter l'inconfort du patient et la prolongation indue de la chirurgie. Par ailleurs, le sujet a la possibilité de rejeter d'autres enregistrements à tout moment, dans ce cas, la tâche comportementale est arrêté et reprend la chirurgie.
  7. Une fois l'étude terminée, les données sont sauvegardées et archivées pour une analyse ultérieure.

6. Analyse des données

  1. Premièrement, les signaux neuronaux sont discriminés dans l'horodatage pic individuels en utilisant un logiciel disponible dans le commerce.
  2. Les codes tâche comportementale sont ensuite analysées, et l'horodatage de l'activité neuronale sont alignés en utilisant le code script dans Matlab.

Les résultats représentatifs:

La figure 1 illustre les résultats représentatifs à partir d'un simple neurone STN enregistrées au cours du jeu War décrit ci-dessus. Le tpanneaux op dépeignent rasters centrée sur quatre époques behaviorally pertinentes à la tâche: la période de fixation avant chaque procès, présentation de la carte du sujet, l'appuyer sur le bouton indiquant l'objet du pari, et présentation de la carte de l'ordinateur. Les panneaux du bas représentent binned (50 bacs ms) histogrammes de temps péri-stimulus (PSTHs). Ce neurone ne réagit pas vigoureusement aux présentation de la carte du sujet, mais augmente de façon significative ses tirs autour du bouton poussoir. Cette activité dure jusqu'à la carte de l'ordinateur est révélée, au cours de laquelle de tir diminue aux niveaux de base.

Figure 1
Figure 1. Représentant STN neurone. Rasters (haut) et péri-stimulus de temps histogrammes (PSTHs) centré sur le plan comportemental époques pertinentes sont représentés par un représentant seul neurone STN. Ce tir neurone augmente significativement dans le temps de la bouton-poussoir indiquant l'objet du pari.

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Discussion

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La chirurgie de stimulation cérébrale profonde offre une occasion précieuse pour examiner l'activité de neurones individuels dans le cerveau humain. À ce jour, cette opportunité a permis à de nombreuses études descriptives qui caractérisent les activités de différents noyaux profonds. Plus récemment, en per-opératoire des tâches sont devenues plus sophistiquées afin d'examiner divers aspects du comportement et la cognition. Le but du protocole actuel est de fournir un guide pour la mise en œuvre réussie intra-opératoire des tâches comportementales. Les objectifs de la tâche et l'objectif de l'étude seront bien entendu varier en fonction du noyau cible pour la chirurgie. Compte tenu du nombre croissant d'applications pour la chirurgie DBS et la variété qui augmente d'autant de cibles, nous nous attendons à des occasions en plein essor pour étudier le fonctionnement du cerveau humain au niveau des neurones individuels.

Il ya un certain nombre de facteurs et les étapes critiques qui doivent être considérés lors de l'implémentation d'une étude intra-opératoire. Tout d'abord, il ya des limites de temps considérable à ces études, qui se traduit par un nombre limité d'essais de comportement qui peuvent être recueillies pour chaque sujet. Ainsi, lors de la conception d'une tâche, on doit réfléchie limiter le nombre de conditions à la tâche pour assurer une puissance statistique suffisante pour voir un effet. Il ya un certain nombre de façons de contourner cette limitation. On pourrait essayer de réduire le nombre de permutations condition de procès, de simplifier la complexité des séquences d'essai, et / ou simplement recueillir davantage de données. Une deuxième limitation importante à ces études est de la qualité des données neurophysiologiques. Parce que seule l'unité d'isolement est fait dans la salle d'opération et de ne pas le laboratoire, stable à haut enregistrements rapport signal-bruit sont difficiles à atteindre. Si la qualité du signal neuronal diminue au début d'une séance de comportement, il est recommandé un arrêt de la tâche et d'isoler de nouveaux neurones. Une finale, étape essentielle permet à la fois suffisant de patients pour maîtriser la tâche comportementale. Si cette étape est négligée, les données recueillies seront probablement confondu par des effets d'apprentissage. Par conséquent, utiliser la période pré-opératoire pour s'assurer que le sujet est formé et comprend parfaitement la tâche.

Peropératoire études fournissent une occasion vraiment unique pour comprendre le cerveau humain et de la pathologie. Cependant, ces expériences se produisent dans les conditions dynamiques d'une salle d'opération et sont donc soumis à des complications ne sont généralement pas considéré dans l'environnement bien contrôlé d'un laboratoire de recherche.

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Disclosures

Aucun conflit d'intérêt déclaré.

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).
Peropératoire tâches comportementales chez les humains subissent de profondes Awake Chirurgie stimulation cérébrale
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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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