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Medicine

在接受深部脑刺激手术术中唤醒人类行为任务

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

Summary

深部脑刺激术,研究人类大脑在清醒信息编码提供了一个独特的机会。本文将介绍手术的方法,用于执行任务的认知和行为,同时获得的生理数据,如肌电图,单神经元单位活动和​​/或当地的场电位。

Abstract

脑深部刺激(DBS)是一种外科手术,引导长期,高频电刺激大脑中植入电极通过的具体目标。脑深部电刺激已开始实施,作为一个Benabid等治疗方法 。在80年代后期,当他使用这种技术来刺激治疗震颤 1丘脑腹中间核。目前,该过程是用来治疗的患者未能充分应对疾病,如帕金森氏症,肌张力障碍,原发性震颤医疗管理。此过程为治疗帕金森氏病的疗效已被证实在供电,随机对照试验。目前,美国食品和药物管理局已批准星展作为难治的原发性震颤,帕金森氏症,和肌张力障碍患者的治疗。此外,新加坡发展银行(DBS)是目前正在评估其他精神和神经系统疾病的治疗,如强迫症,抑郁症的主要,和癫痫。

星展不仅得到了显示,以帮助人们改善他们的生活质量,还提供独特的机会,学习和了解人类大脑的研究人员。微电极的录音进行例行星展手术期间,以提高解剖定位精度。因此,可以记录单个神经元的放电模式,而受执行行为的任务。使用集中描述的各个方面,包括射击和爆裂率和频率调制3这些数据的早期研究。最近的研究都集中在认知行为方面的有关神经元的活动4,5。本文将提供用于执行行为任务和神经元的数据记录与清醒患者,在星展案件的手术方法的说明。收购电数据的过程中的论述,将照亮我们目前的范围和手术的人体实验的局限性。

Protocol

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1。除招聘和同意

  1. 临床评价和丘脑底核(STN)的深部脑刺激难治性帕金森病(DBS)的同意后,每个病人的信息是审查,以确定如果他/她符合的手术研究(定义在一个机构审查的标准董事会批准在马萨诸塞州总医院的协议)。
  2. 如果确定的主题,符合研究标准,医生的研究组成员(而不是操作系统的外科医生)方法的病人参与研究讨论的可能性。
  3. 参与研究的同意书,然后检讨和解释这个问题。更重要的是,研究的解释强调,在参与这项研究是自愿的,在任何时候,他/她选择退出参与。此外,它强调的是,他们的讨论,参加或退出在研究有没有对他/她将获得的医疗的影响。
  4. 如果确定这一主题的理解和同意参与这项研究,他/她签署批准的知情同意,并在研究中招收。

2。行为训练和钻机安装

  1. 作为帕金森病的DBS手术的一部分,主题是手术前一天住进了医院。因此,这提供了一个机会,培训行为的任务主体。这个培训是必不可少的,因为它提供了一个时间段,在此期间,主题可以学习来执行任务,并制定其规则的舒适性,消除“学习效果”的困惑(讨论)。
  2. 手术前的晚上,一个便携式的行为钻机带来主体的病房。
  3. 该钻机配备具有完全相同的行为的任务,这个问题需要进行一天的手术研究。
    1. 在这个例子中,主旨是要求玩一种纸牌游戏,类似“战争”的游戏。在这场比赛中,题目是需要赌,无论他或她的卡是高于计算机(20元或5元)。这项任务的目的是为了检测报酬与风险的STN神经元编码的作用。为了激励主体,他们告诉记者,他们将支付其奖金的比例。
    2. 由于减少了潜在的组合(以及由此产生的困惑)的手段,只有偶数的一个单一的西装卡使用(例如:2,4,6,8,黑桃10)。因此,潜在的经营成果和任务的期望,可以轻松地计算和分析。
    3. 在每次试验中,受试者第一次看到屏幕上描绘其随机处理卡,并未知计算机的卡背面。然后屏幕显示两个下注选项,5元和20元。他/她的卡的相对强度的基础上,题目指示下注,按下一个按钮,后,屏幕上显示他/她的卡,并显示计算机的卡。最后的画面明确地描绘赢或输的金额。
  4. 这个题目是可以玩游戏,直到他们完全理解的游戏规则,并执行一个舒适的水平。

3。术中 - 实验装置

  1. 一旦这个问题已经定位上手术台,钻机的行为,数据采集和信号处理设备带进了手术室。钻机的定位,必须采取考虑到正常的工作流程和相关手术室设置的不育问题。
  2. 由于这些钻机的元件组装,并为每个记录会话拆卸,检查所有设备的连接是至关重要的。因此,每个组件连接到数据采集系统,必须检查数据的完整性。这些程序应早期手术,以防止在关键的录音时间来解决这些问题。
    1. 首先,启动采集和信号处理设备。将输出的信号处理钻机收购钻机的投入。在本研究的情况下,我们将获得三个额外的细胞动作电位通道对应的三段弧矢导向为主体的大脑将先进的手术过程中的电极。开启一次,以确保采集系统采集的信号放大器之一。
    2. 安全监视器或舒适的观赏位置使用适当的适配器表。
    3. 如果采用输入设备(操纵杆,按钮盒,键盘等),此设备的位置,注重从录音将获得一侧大脑偏侧相对。确保主体的手是舒适的位置操作输入设备。考虑到S要求麻醉师ecure另一方面脉冲氧合监测,以确保设备的正常运行。在此任务中,我们使用了一个按钮盒。
    4. 引导行为的制度,确保行为事件标记被抓获收购钻机。
    5. 启动行为的任务,并允许主题的任务中发挥几个试验。在这段时间内,确保采集系统捕捉按钮框输入的行为钻机所产生的行为标记。
    6. 如果所有的连接功能,阻止行为的任务和收购钻机。

4。丘脑底核神经元的分离

  1. 手术的目的是放置慢性星展成电机的STN地区信息。这个位置是通过立体影像和neuophysiological录音相结合。
  2. 的立体定向规划和手术本身的细节,当然会有所不同机构之间,但一般的过程是相似的。在我们的机构,一个Cosman - 罗伯茨井立体框架和基准笼应用和头颅CT扫描获得。与基准CT与以前获得在神经导航系统的体积脑部核磁共振成像(StealthStation,Medtronics,明尼阿波利斯,明尼苏达;或BrainLab VectorVision,Feldkirchen,德国)合并。目标的大脑区域的坐标(在这种情况下,STN)转换为基于帧的坐标。在手术室,病人舒适的位置,在一个半倾斜的位置,并prepped和披使用标准的外科技术。左STN坐标编程的框架,这是对病人定位。皮肤切开缩回。置于颅骨钻孔,并创建一个小的硬膜开放。连接到微型硬盘(Microdrive)插管被带进地位和先进的套管尖端直到25毫米以上的目标。
  3. 一旦插管入脑先进,内部口针都将被删除,并与高阻抗(0.3 - 1兆欧)取代微电极(金控,鲍登,ME)。信号处理钻机的前级放大器连接到每一个电极和差分基准通道连接到外部的套管。
  4. 放大器在信号处理钻机被打开,细胞外的信号进行评估。此外,每个电极的阻抗是进一步推进到大脑前检查。
  5. 外科医生的进步缓慢的电极(0.05-0.4毫米步骤),入脑。先进的电极是从对了STN计算目标25毫米。通过电极通过尾状核,丘脑,透明inserta,最后变成了STN轨迹结果。
  6. 一旦电极已进入了STN,生理学家操纵患者的对侧肢体,确定是否神经信号是电机响应的一种手段。当外科医生和实验者与电极位置感到满意,行为的任务就可以开始。

5。数据采集

  1. 开始之前的行为的任务,这是非常重要的文件的微电极的深度和孤立的神经元(S)的电机响应。
  2. 这个题目,然后指示该任务将开始。确保按钮盒仍然是舒适的位置和显示器完全可见。
  3. 启动数据采集和收购至少1分钟开始之前的行为任务的基线活动。
  4. 由于受执行的任务是很重要的监测捕获的数据。随着收购的任何干扰,应停止任务,并纠正问题。
  5. 在目前的研究,主旨是要求执行120每个STN深入的试验。
  6. 的任务,可为每个深度的STN执行多次,然而,这些手术的研究(讨论进一步描述)的持续时间有限制。我们限制了实验记录30分钟的时间,以防止病人的不适和不必要的延长手术。此外,受有机会在任何时候拒绝进一步的录音,在这种情况下行为的任务是停止和手术恢复。
  7. 一旦研究完成后,数据备份和存档以供后续分析。

6。数据分析

  1. 首先,神经信号受到歧视穗成单独使用商用软件的时间戳。
  2. 行为的任务代码,然后分析,并使用Matlab中编写的代码是一致的神经元活动的时间戳。

代表性的成果:

图1描述了从一个单一的STN神经元代表的结果记录在上面所述的战争游戏。的tOP面板描绘四个行为有关的时代的任务为中心的栅格:固定期限,每次试验前,介绍主体的卡,按下按钮,说明这个问题的下注,并介绍电脑的卡。底部面板代表城郊刺激时间直方图(PSTHs)分级(50毫秒箱)。这种神经元不响应有力介绍主题的卡,但增加其发射显着周围的按键。这项活动将持续到计算机的存储卡则透露,在这一点射击下降到基线水平。

图1
图1。代表STN神经元 。栅格(顶部面板)和城郊刺激时间直方图(PSTHs)为中心的行为有关的时代描绘为代表的单STN神经元。这种神经元的发射左右按钮的说明主题的下注推时显着增加。

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Discussion

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深部脑刺激手术提供了宝贵的机会,在人类大脑研究单个神经元的活动。迄今为止,这个机会已经允许不同深核活动的许多特征的描述性研究。最近,手术的任务变得更加复杂,以解决各方面的行为和认知。当前协议的目的是提供一个成功实施手术的行为任​​务的指导。的目标任务和研究的目的,当然取决于手术有针对性的细胞核。鉴于越来越多的星展手术的应用和相应增加的各种目标,我们期望蓬勃发展的机会,为研究人类大脑的功能,在单个神经元的水平。

实施手术的研究时,需要考虑的因素和关键步骤。最重要的是,有相当长的时间限制,这些研究结果的行为试验,可以为每个主题聚集的数量有限。因此,在设计任务时,若有所思地应限制的任务条件,以确保足够的统计力量,看到效果。有一些方法来克服这个限制。可以尽量减少试验条件排列,简化审判序列的复杂性,和/或干脆收集更多的数据。这些研究的第二个实质性限制的神经生理数据的质量。由于是单机隔离在手术室的设置,没有实验室,稳定的高信号信噪比的录音都难以实现。如果神经信号的质量,降低早期行为的会议,这是建议,一站式的任务和孤立新的神经元。最后一个关键的步骤是让病人足够的时间来掌握行为的任务。如果忽视这一步是,收集的数据将最有可能被混淆的学习效果。因此,利用手术前,以确保主体培训,并充分认识到任务的期限。

术的研究,提供了一个真正独特的机会去了解人类的大脑和病理。然而,这些实验发生在手术室的动态条件下,因此通常不很好地控制在一个研究实验室环境中看到的并发症。

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Disclosures

没有利益冲突的声明。

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).
在接受深部脑刺激手术术中唤醒人类行为任务
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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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