Login processing...

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

Medicine

داخل المنطوق المهام السلوكية في البشر استيقظ يخضع للجراحة تحفيز الدماغ العميق

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

Summary

جراحة الدماغ العميق تحفيز يوفر فرصة فريدة لدراسة ترميز المعلومات في دماغ الإنسان مستيقظا. هذه المادة سوف تصف داخل منطوق الأساليب المستخدمة لتنفيذ المهام المعرفية والسلوكية ، بينما في نفس الوقت الحصول على البيانات الفسيولوجية مثل النشاط EMG واحد وحدة العصبية و / أو الإمكانات الميدانية على الصعيد المحلي.

Abstract

للمخ (DBS) هو إجراء العمليات الجراحية التي توجه المزمنة ، وارتفاع وتيرة التحفيز الكهربائي لأهداف محددة في الدماغ من خلال أقطاب كهربائية مزروعة. تم تنفيذها لأول مرة للمخ كطريقة علاجية بواسطة Benabid آخرون في أواخر 1980s ، عندما تستخدم هذه التقنية لتحفيز نواة بطني وسيطة من المهاد لعلاج الهزة 1. حاليا ، يتم استخدام هذا الإجراء لعلاج المرضى الذين لا يستجيبون بشكل كاف للإدارة الطبية لأمراض مثل باركنسون ، وخلل التوتر ، والهزة الأساسية. وقد برهنت على فعالية هذا الإجراء لعلاج مرض باركنسون بشكل جيد بالطاقة المحاكمات العشوائية 2. في الوقت الحاضر ، وافقت إدارة الغذاء والدواء الامريكية DBS كعلاج للمرضى الذين يعانون من الهزة الأساسية صهر طبيا ، مرض باركنسون ، وخلل التوتر. بالإضافة إلى ذلك ، يجري تقييمها حاليا DBS لعلاج الاضطرابات النفسية الأخرى والعصبية ، مثل اضطراب الوسواس القهري ، اضطراب الاكتئاب الكبرى ، والصرع.

DBS قد ثبت ليس فقط لمساعدة الناس من خلال تحسين نوعية حياتهم ، كما يوفر للباحثين فرصة فريدة لدراسة وفهم الدماغ البشري. تجرى بشكل روتيني أثناء الجراحة التسجيلات Microelectrode DBS بغية تعزيز الدقة في استهداف التشريحية. ويمكن بالتالي اطلاق أنماط من الخلايا العصبية الفردية في حين يتم تسجيل هذا الموضوع ينفذ مهمة السلوكية. الدراسات المبكرة باستخدام هذه البيانات التي تركز على جوانب وصفية ، بما في ذلك اطلاق النار وانفجار أسعار ، وتضمين التردد 3. وقد ركزت الدراسات الأخيرة على الجوانب المعرفية للسلوك بالنسبة للنشاط الخلايا العصبية 4،5. هذه المادة سوف توفر وصفا للطرق داخل منطوق استخدامها لتنفيذ المهام السلوكية والعصبية مع تسجيل بيانات المرضى مستيقظا خلال الحالات DBS. سيكون لدينا معرض من عملية الحصول على بيانات الكهربية تضيء النطاق الحالي والقيود المفروضة من داخل منطوق التجارب البشرية.

Protocol

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

1. موضوع التوظيف والموافقة

  1. بعد التقييم السريري والموافقة على النواة تحت المهاد (STN) للمخ (DBS) لمرض باركنسون الحرارية ، ويتم استعراض معلومات كل مريض من أجل تحديد ما إذا كان هو / هي مستوفية لمعايير الدراسة البينية المنطوق (المعرفة في المراجعة المؤسساتي وافق مجلس إدارة البروتوكول في مستشفى ماساتشوستس العام).
  2. إذا ثبت أن هذا الموضوع يستوفي المعايير الدراسة ، الطبيب عضوا في مجموعة دراسة (وليس جراح التشغيل) النهج المريض لبحث امكانية المشاركة في الدراسة.
  3. وتقوم بمراجعة استمارة الموافقة على المشاركة في الدراسة ، وأوضح لهذا الموضوع. الأهم من ذلك ، شرح هذه الدراسة تؤكد أن المشاركة في هذه الدراسة هو طوعي وذلك في اي نقطة له / لها لديه خيار الانسحاب من المشاركة. علاوة على ذلك ، ثم أكد أن مناقشتهم في المشاركة أو الانسحاب في دراسة له أي تأثير على الرعاية الطبية له / لها سوف تحصل.
  4. إذا ثبت أن هذا الموضوع وتفهم وتوافق على المشاركة في الدراسة ، انه / انها وافقت علامات موافقة واعية وغير المسجلين في هذه الدراسة.

2. السلوكية التدريب والإعداد الزي

  1. كجزء من عملية جراحية DBS لمرض باركنسون ، ويتم قبول الموضوعات إلى المستشفى قبل يوم واحد لعملية جراحية. وبالتالي ، فإن هذا يوفر فرصة لتدريب هذا الموضوع على المهمة السلوكية. هذا التدريب ضروري لأنه يوفر الفترة الزمنية التي يمكن أن يتعلم هذا الموضوع لتنفيذ المهمة وتطوير الراحة مع نظامه ، وإزالة "الآثار التعلم" يفند (يرجى الرجوع إلى مناقشة).
  2. يتم إحضارها تلاعب المحمولة السلوكية لغرفة المستشفى هذا الموضوع في ليلة قبل الجراحة.
  3. وقد تم تجهيز هذا تلاعب مع هذه المهمة الدقيقة السلوكية ذاتها التي هو مطلوب لتنفيذ هذا الموضوع في يوم من الدراسة داخل المنطوق.
    1. في هذا المثال ، يطلب من يخضع لتلعب لعبة بطاقة مشابهة للعبة "الحرب". في هذه اللعبة ، مطلوب موضوع للمراهنة (إما 20 دولارا أو 5 دولارات) ما إذا كان له أو لها بطاقة أعلى من جهاز الكمبيوتر. القصد من هذه المهمة هو مقايسة دور الثواب والمخاطر على ترميز العصبية في STN. من أجل تحفيز هذا الموضوع وقالوا أنه سيتم دفعها على نسبة من الارباح لهم.
    2. كوسيلة للحد من تركيبات المحتملة (ويفند الناتج) ، وتستخدم بطاقات فقط زوجية دعوى واحدة (مثل 2 ، 4 ، 6 ، 8 ، و 10 من البستوني). على هذا النحو ، يمكن للنتائج المحتملة والتوقعات المهمة حسابها بسهولة وتحليلها.
    3. في كل محاكمة ، وهذا الموضوع لأول مرة ترى الشاشة التي تصور لهم بطاقة التعامل بشكل عشوائي ، والجزء الخلفي من جهاز الكمبيوتر بطاقة مجهول. ثم يظهر على الشاشة وهما الرهان الخيارات ، 5 دولارات و 20 دولارا. على أساس القوة النسبية لتعريفه / بطاقتها ، موضوع يشير إلى رهان بضغطة زر ، وبعد ذلك على الشاشة تبين له / لها بطاقة وبطاقة الكمبيوتر التي كشفت. الشاشة النهائية يصور صراحة المبلغ فاز أو خسر.
  4. ويسمح هذا الموضوع للعب اللعبة حتى يفهم تماما قواعد اللعبة وأداء على مستوى مريح.

3. داخل المنطوق -- إعداد التجريبية

  1. مرة واحدة وقد تم وضع هذا الموضوع على طاولة الجراحة ، ويتم جلب تحتوي على تلاعب السلوكية ، والحصول على البيانات ومعدات التجهيز إشارة إلى غرفة العمليات. يجب أن تأخذ في المواقع تلاعب النظر تدفق العمل العادي والقضايا المتصلة العقم إعداد غرفة العمليات.
  2. كما يتم تجميع مكونات هذه الحفارات وتفكيكها لتسجيل كل دورة ، من المهم جدا لفحص جميع معدات الاتصالات. لذلك ، كما يرتبط كل مكون لنظام الحصول على البيانات ، لا بد من التحقق من سلامة البيانات. وينبغي القيام بهذه الإجراءات في وقت مبكر من عملية جراحية لمنع الحاجة إلى استكشاف هذه القضايا خلال مدة التسجيل حرجة.
    1. أولا ، التمهيد لاقتناء المعدات ومعالجة الإشارات. ربط مخرجات إشارة إلى تلاعب تجهيز المدخلات للتلاعب الاستحواذ. في حالة من هذه الدراسة ، سنكون اكتساب المحتملة الثلاثة العمل خارج الخلوية القنوات المقابلة لأقطاب شبه sagittally الموجهة الثلاث التي سوف يتم تحقيق التقدم في هذا الموضوع في الدماغ أثناء الجراحة. بدوره على واحد مكبرات الصوت في وقت واحد لضمان أن نظام الاستحواذ هو الحصول على الاشارات.
    2. تأمين مراقبة على الطاولة أو في موقف مريح عرض باستخدام المحول المناسب.
    3. إذا كان يعمل جهاز إدخال (عصا التحكم ، زر مربع ، لوحة المفاتيح ، الخ) ، وموقف هذا الجهاز ، مع إيلاء الاهتمام لتجانب النسبي إلى جانب من الدماغ والتي سوف يتم الحصول على التسجيلات. ضمان أن يتم وضع اليد بشكل مريح هذا الموضوع في تشغيل هذا الجهاز الإدخال. النظر في طلب من طبيب التخدير لياليecure رصد نبض الأوكسجين من جهة أخرى لضمان التشغيل السليم للجهاز. في هذه المهمة التي نستخدمها مربع الزر.
    4. تمهيد النظام السلوكي وضمان أن يتم القبض على الحدث علامات سلوكية تلاعب من قبل الاستحواذ.
    5. بدء المهمة السلوكية والسماح للموضوع للعب عدد قليل من التجارب المهمة. خلال هذا الوقت ، تأكد من أن نظام الحصول على المدخلات يتم التقاط زر مربع والعلامات السلوكية الناتجة عن تلاعب السلوكية.
    6. إذا كانت كافة الاتصالات وظيفية ، والتوقف عن مهمة السلوكية وتلاعب في اقتنائها.

4. عزل خلايا النواه تحت المهاد

  1. أهداف الجراحة هي مكان DBS المزمنة يؤدي إلى المنطقة الحركية لSTN. ويتحقق هذا الموضع من خلال الجمع بين التصوير المجسم والتسجيلات neuophysiological.
  2. وتفاصيل التخطيط المجسم وإجراء العمليات الجراحية نفسها بالطبع تختلف باختلاف المؤسسات ، ولكن عملية عامة مشابهة. في مؤسستنا ، ويطبق إطار المجسم كوسمان روبرتس ، ويلز وإيمانية القفص وحصل على رئيس الاشعة المقطعية. يتم دمج التصوير المقطعي مع التصوير بالرنين المغناطيسي fiducials مع الدماغ الحجمي الحصول مسبقا على نظام الملاحة العصبية (StealthStation ، مؤسسة ميدترونيكس ، مينيابوليس ، مينيسوتا ، أو VectorVision برين لاب ، فيلدكيرخن ، ألمانيا). يتم تحويل إحداثيات المنطقة المستهدفة الدماغ (STN في هذه الحالة) إلى الإطار القائم على الإحداثيات. في غرفة العمليات ، ويتم وضع المريض في وضع مريح شبه كاملين ، وهيأهم ورايات باستخدام تقنية جراحية القياسية. مبرمجة إحداثيات STN في الإطار الأيسر ، والذي يتوضع على المريض. يتم شق الجلد ، وتراجع. يتم وضع ثقوب لدغ ، وخلق فتحة صغيرة الجافية. وجلبت حقنة عادية ملحقة microdrive في الموقف ومتقدمة حتى غيض من حقنة عادية هي 25 مم فوق الهدف.
  3. بمجرد حقنة عادية متقدمة في الدماغ ، وتتم إزالة stylets الداخلية واستبداله (0،3-1 ميجا أوم) مقاومة عالية microelectrodes (FHC ، بودوين ، ME). يتم توصيل جهاز الحفر لمعالجة الإشارات في مرحلة ما قبل مكبرات الصوت إلى كل قطب كهربائي ويتم توصيل القناة إشارة إلى الفرق قنية الخارجي.
  4. على منصة إشارة تجهيز وتشغيل مكبرات الصوت على ويتم تقييم إشارة خارج الخلوية. بالإضافة إلى ذلك ، يتم فحص المعاوقة لكل الكهربائي قبل التقدم الى مزيد من الدماغ.
  5. الجراح الأقطاب التقدم ببطء (0،05-0،4 خطوات ملم) في الدماغ. متقدمة الأقطاب 25mm بدءا من هدف محسوب نحو STN. نتائج هذا المسار في القطب مرورا النواة المذنبة ، المهاد ، وinserta زونا ، وأخيرا في STN.
  6. مرة واحدة الأقطاب دخلت STN ، وفيزيولوجي تعالج المريض أطرافه المقابل كوسيلة لتحديد ما إذا كان هو الإشارة العصبية الحركية تستجيب. عندما نشعر بالارتياح الجراح ومجرب مع موقف الأقطاب "، يمكن أن تبدأ المهمة السلوكية.

5. الحصول على البيانات

  1. قبل البدء في مهمة السلوكية ، فمن المهم أن الوثيقة عمق microelectrodes واستجابة الخلايا العصبية الحركية من عزلة (ق).
  2. ثم أوعز هو الموضوع الذي سوف تبدأ المهمة. ضمان أن لا يزال في وضع مريح زر مربع وبأن ترصد مرئية تماما.
  3. بدء الحصول على البيانات والحصول على خط الأساس لنشاط ما لا يقل عن 1 دقيقة قبل البدء في مهمة السلوكية.
  4. كما تخضع ينفذ المهمة من المهم رصد البيانات الملتقطة. مع أي اضطراب في الاستحواذ ، يجب أن تتوقف هذه المهمة وتصحيح المشكلة.
  5. في الدراسة الحالية ، ويطلب هذا الموضوع لتنفيذ 120 محاكمات لكل عمق STN.
  6. يمكن تنفيذ مهام عدة مرات لكل العمق في STN ، ومع ذلك ، هناك قيود على مدة هذه الدراسات البينية المنطوق (وصفه كذلك في المناقشة). نحد التجريبية تسجيل الوقت إلى 30 دقيقة لمنع إزعاج المرضى وإطالة لا لزوم له الجراحة. وعلاوة على ذلك ، فإن موضوع لديه الفرصة لمزيد من رفض التسجيلات في أي وقت ، وفي هذه الحالة يتم إيقاف المهمة السلوكية واستئناف عملية جراحية.
  7. حالما يتم الانتهاء من الدراسة ، ويدعم ما يصل إلى البيانات وأرشفتها لتحليلها لاحقا.

6. تحليل البيانات

  1. أولا ، هناك تمييز الاشارات العصبية في الطوابع تصاعد الفردية باستخدام البرمجيات المتاحة تجاريا.
  2. ثم يتم تحليل الرموز المهمة السلوكية ، ويتم محاذاة الطوابع نشاط الخلايا العصبية باستخدام رمز كتابتها في Matlab.

ممثل النتائج :

الشكل 1 يصور نتائج ممثلة من الخلايا العصبية STN احدة سجلت خلال المباراة الحرب المذكورة أعلاه. رلوحات تصور المرجع المنقطات تركزت على أربعة العهود ذات الصلة سلوكيا في المهمة : فترة التثبيت قبل كل محاكمة ، وعرض هذا الموضوع في البطاقة ، واضغط على زر يشير إلى هذا الموضوع في الرهان ، وعرض لبطاقة الكمبيوتر. لوحات تمثل اهمال القاع (50 صناديق مللي ثانية) رسوم بيانية الوقت شبه التحفيز (PSTHs). هذه الخلايا العصبية لا يستجيب بقوة على بطاقة عرض هذا الموضوع ، ولكن الزيادات في اطلاق النار بشكل ملحوظ حول دفع زر. يستمر هذا النشاط حتى يتم كشف بطاقة الكمبيوتر ، والذي يطلقون نقطة تنخفض إلى مستويات خط الأساس.

الشكل 1
الشكل 1. ممثل STN الخلايا العصبية. النقطية (لوحات أعلى) وشبه التحفيز في الوقت رسوم بيانية (PSTHs) تركزت على العهود ذات الصلة سلوكيا وصفت لممثل واحد STN الخلايا العصبية. اطلاق النار هذا يزيد بشكل كبير من الخلايا العصبية في وقت قريب لدفع زر يشير إلى هذا الموضوع في الرهان.

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

جراحة الدماغ العميق تحفيز يوفر فرصة ثمينة لدراسة نشاط الخلايا العصبية الفردية في الدماغ البشري. حتى الآن هذه الفرصة وسمحت الدراسات الوصفية التي تميز العديد من الأنشطة المختلفة من النوى العميقة. في الآونة الأخيرة ، أصبحت داخل منطوق مهام أكثر تعقيدا من أجل معالجة جوانب مختلفة من السلوك والإدراك. القصد من البروتوكول الحالي هو توفير دليل للتنفيذ الناجح داخل منطوق المهام السلوكية. وأهداف المهمة والغرض من هذه الدراسة بطبيعة الحال تختلف تبعا لاستهداف نواة لعملية جراحية. نظرا للعدد المتزايد من الطلبات لاجراء عملية جراحية DBS ومجموعة متنوعة من الأهداف زيادة في المقابل ، نتوقع الفرص المتنامية لدراسة وظائف المخ البشري على مستوى الخلايا العصبية الفردية.

هناك عدد من العوامل والخطوات الحاسمة التي ينبغي أخذها في الاعتبار عند تنفيذ دراسة البينية المنطوق. قبل كل شيء ، وهناك قيود وقتا طويلا لهذه الدراسات ، والذي ينتج في عدد محدود من التجارب السلوكية التي يمكن جمعها عن كل موضوع. وبالتالي ، عند تصميم المهمة ، ينبغي للمرء أن يحد بشكل مدروس لعدد من الشروط في مهمة لضمان قوة إحصائية كافية لمعرفة تأثير. هناك عدد من الطرق للتغلب على هذا القيد. يمكن للمرء أن محاولة تقليل عدد التباديل شرط المحاكمة ، وتبسيط تعقيد تسلسل المحاكمة ، و / أو ببساطة جمع المزيد من البيانات. والقيد الثاني كبيرة لهذه الدراسات هو نوعية من البيانات العصبية. لأن فعل واحد وحدة العزل في إعداد غرفة العمليات وليس في المختبر ومستقرة عالية التسجيلات نسبة الإشارة إلى الضوضاء يصعب تحقيقه. إذا كانت جودة الإشارة العصبية النقصان في وقت مبكر من الدورة السلوكية ، فمن المستحسن أن محطة واحدة المهمة وعزل الخلايا العصبية الجديدة. النهائي ، خطوة حاسمة هو السماح للمريض الوقت الكافي لإتقان هذه المهمة السلوكية. إذا تم التغاضي عن هذه الخطوة ، وسوف أكثر من المرجح أن تكون البيانات التي تم جمعها بواسطة مرتبك آثار التعلم. لذلك ، الاستفادة من فترة ما قبل الجراحة للتأكد من أن الموضوع هو تدريب وتفهم تماما هذه المهمة.

الدراسات البينية من المنطوق توفر فرصة فريدة لفهم الدماغ البشري وعلم الأمراض. ومع ذلك ، تحدث هذه التجارب في ظروف ديناميكية من غرفة العمليات ، وبالتالي فهي تخضع لتعقيدات لا ينظر عادة في بيئة تسيطر عليها بشكل جيد من أحد المختبرات البحثية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الإعلان عن أي تضارب في المصالح.

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).
داخل المنطوق المهام السلوكية في البشر استيقظ يخضع للجراحة تحفيز الدماغ العميق
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