Login processing...

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

Medicine

Intra-operatieve Behavioral Taken in Awake Mensen ondergaan Deep Brain Stimulation Chirurgie

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

Summary

Deep brain stimulation operatie biedt een unieke gelegenheid om informatie te coderen te onderzoeken in het menselijk brein wakker. Dit artikel beschrijft intra-operatieve methoden die worden gebruikt om cognitieve en gedragsmatige taken uit te voeren, terwijl tegelijkertijd het verwerven van fysiologische gegevens, zoals EMG, single-unit neuronale activiteit en / of lokale veld potentialen.

Abstract

Deep brain stimulation (DBS) is een chirurgische ingreep die chronische, hoogfrequente elektrische stimulatie leidt naar specifieke doelen in de hersenen door middel van geïmplanteerde elektroden. Diepe hersenstimulatie werd voor het eerst uitgevoerd als een therapeutische modaliteit door Benabid et al.. In de late jaren 1980, toen hij deze techniek gebruikt om het ventrale tussenliggende nucleus van de thalamus voor de behandeling van tremor een te stimuleren. Momenteel wordt de procedure die wordt gebruikt om patiënten die niet adequaat reageren op de medische behandeling voor ziekten zoals Parkinson, dystonie en essentiële tremor te behandelen. De effectiviteit van deze procedure voor de behandeling van de ziekte van Parkinson is aangetoond in goed gevoed, gerandomiseerde gecontroleerde studies 2. Op dit moment heeft de Amerikaanse Food and Drug Administration goedgekeurd DBS als een behandeling voor patiënten met medisch refractaire essentiële tremor, de ziekte van Parkinson en dystonie. Daarnaast is DBS momenteel geëvalueerd voor de behandeling van andere psychiatrische en neurologische stoornissen, zoals obsessief-compulsieve stoornis, depressieve stoornis, en epilepsie.

DBS heeft niet alleen aangetoond dat mensen te helpen door het verbeteren van hun kwaliteit van leven, maar biedt ook onderzoekers met de unieke kans om te studeren en begrijpen van de menselijke hersenen. Micro-elektrode opnames worden routinematig uitgevoerd tijdens DBS operatie om de precisie van de anatomische targeting te verbeteren. Firing patronen van individuele neuronen kan daarom worden opgenomen terwijl het onderwerp voert een gedrags-taak. Vroege studies met behulp van deze gegevens gericht op beschrijvende aspecten, waaronder afvuren en burst tarieven, en de frequentie modulatie 3. Meer recente studies hebben zich gericht op de cognitieve aspecten van het gedrag in relatie tot neuronale activiteit 4,5. Dit artikel geeft een beschrijving van de intra-operatieve methoden die worden gebruikt om gedrags-taken uit te voeren en neuronale gegevens met wakker patiënten tijdens DBS gevallen op te nemen. Onze expositie van het proces van het verwerven van elektrofysiologische gegevens zullen verlichten van de huidige mogelijkheden en beperkingen van intra-operatieve menselijke experimenten.

Protocol

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

1. Onderwerp Werving en Consent

  1. Volgende klinische evaluatie en de toestemming voor nucleus subthalamicus (STN) deep brain stimulation (DBS) voor vuurvaste Ziekte van Parkinson, wordt elke patiënt de informatie beoordeeld om te bepalen of hij / zij voldoet aan de criteria voor de intra-operatieve onderzoek (Gedefinieerd in een Institutional Review raad van bestuur goedgekeurde protocol aan het Massachusetts General Hospital).
  2. Indien wordt vastgesteld dat het onderwerp van de studie voldoet aan de criteria, een arts lid van de werkgroep (niet de opererende chirurg) benaderingen van de patiënt te bespreken de mogelijkheid van deelname aan het onderzoek.
  3. Het toestemmingsformulier voor deelname aan het onderzoek wordt dan besproken en toegelicht aan het onderwerp. Belangrijk is dat de uitleg van de studie benadrukt dat deelname aan het onderzoek vrijwillig is en dat op elk punt dat hij / zij heeft de mogelijkheid zich terug te trekken van deelname. Bovendien is het dan benadrukt dat de bespreking deel te nemen of in te trekken in de studie geen invloed op de medische zorg die hij / zij zal ontvangen heeft.
  4. Indien wordt vastgesteld dat het onderwerp begrijpt en stemt ermee in om deel te nemen aan het onderzoek, hij / zij ondertekent de goedgekeurde informed consent en is ingeschreven in de studie.

2. Behavioral Training en Rig Setup

  1. Als onderdeel van DBS chirurgie voor de ziekte van Parkinson, zijn onderwerpen opgenomen in het ziekenhuis een dag voor de operatie. Vandaar, biedt dit een kans om het onderwerp trein op de gedrags-taak. Deze training is essentieel, omdat dit een periode waarin het onderwerp kan leren om de taak uit te voeren en de ontwikkeling van comfort met de regels, het verwijderen van 'leereffecten' verwart (zie discussie).
  2. Een draagbare gedrags-rig is naar het ziekenhuis gebracht van het onderwerp ruimte op de avond voorafgaand aan de operatie.
  3. Dit tuig is uitgerust met exact hetzelfde gedrag taak die het onderwerp is nodig om te presteren op de dag van de intra-operatieve onderzoek.
    1. In dit voorbeeld is het onderwerp gevraagd om een ​​kaartspel vergelijkbaar met het spel van 'oorlog' te spelen. In dit spel, is het onderwerp nodig is om (ofwel $ 20 of $ 5) inzet over de vraag of zijn of haar kaart is hoger dan die van de computer. De bedoeling van deze taak is voor het testen van de rol van de beloning en het risico op de neuronale codering in de STN. Met het oog op het onderwerp aan te moedigen hen verteld dat ze een deel van hun winsten worden uitbetaald.
    2. Als een middel om de mogelijke combinaties (en de daaruit voortvloeiende verwart), worden alleen even genummerde kaarten van een enkele kleur gebruikt (bijvoorbeeld 2, 4, 6, 8 en 10 van schoppen). Als zodanig kan de potentiële resultaten en verwachtingen van de taak gemakkelijk worden berekend en geanalyseerd.
    3. In beide onderzoeken, het onderwerp ziet eerst een scherm afbeelden van hun willekeurig gedeelde kaart, en de achterkant van de kaart van de onbekende computer. Het scherm toont dan de twee weddenschap opties, $ 5 en $ 20. Op basis van de relatieve sterkte van zijn / haar kaart, het onderwerp geeft de weddenschap met een druk op de knop, waarna het scherm zijn / haar kaart en de geopenbaarde computer kaart toont. Het laatste scherm toont expliciet de hoeveelheid gewonnen of verloren.
  4. Het onderwerp is toegestaan ​​om het spel te spelen totdat ze volledig begrijpen de regels van het spel en uit te voeren op een comfortabel niveau.

3. Intra-operatieve - Experimentele Setup

  1. Zodra het onderwerp is geplaatst op de chirurgische tafel, is het tuig met de gedrags-, data-acquisitie en signaalverwerking uitrusting die in de operatiekamer. Rig plaatsing moet rekening houden met normale werk-en steriliteit kwesties in verband met de operatiekamer instelling.
  2. Als onderdeel van deze rigs zijn gemonteerd en gedemonteerd voor elke opname sessie, is het essentieel om te controleren of alle apparatuur aansluitingen. Daarom, als elk onderdeel is verbonden met de data-acquisitie-systeem, moet men de integriteit van de gegevens. Deze procedures moeten in het begin van de operatie worden gedaan om te voorkomen dat om deze problemen op te lossen tijdens de kritieke opnametijd.
    1. Eerst start de acquisitie en het signaal apparatuur voor de verwerking. Sluit de uitgangen van de signaalverwerking rig aan de ingangen van de overname rig. In het geval van deze studie, zullen we het verwerven van drie extra-cellulaire actiepotentiaal kanalen die overeenkomen met drie para-sagittally gericht elektroden die in de hersenen van het onderwerp worden bevorderd tijdens de operatie. Zet de versterkers een voor een om te zorgen dat de acquisitie systeem is het verwerven van de signalen.
    2. Zet de monitor aan de OR tabel in comfortabele positie met behulp van een geschikte adapter.
    3. Als een invoerapparaat (joystick, knop box, toetsenbord, enz.) wordt gebruikt, staat dit apparaat, met aandacht voor lateraliteit ten opzichte van de kant van de hersenen van die opnamen worden verkregen. Zorg ervoor dat het onderwerp de hand comfortabel is gepositioneerd om de input apparaat te bedienen. Overweeg vragen de anesthesist te secure de pols oxygenatie monitor op de andere hand om de juiste werking van het apparaat te verzekeren. In deze opdracht gebruiken we een knop box.
    4. Boot de gedrags-systeem en ervoor te zorgen dat gedrags-event markers worden gevangen genomen door de overname rig.
    5. Start de gedrags-opdracht en laat het onderwerp naar een paar proeven van de taak te spelen. Gedurende deze tijd, ervoor zorgen dat de acquisitie systeem is de button box ingangen en de gedrags-markers die door de gedrags-rig vast te leggen.
    6. Als alle verbindingen zijn functioneel, stop de gedrags-taak en acquisitie rig.

4. Isolatie van nucleus subthalamicus Neuronen

  1. De doelstellingen van de operatie zijn plaats chronische DBS leidt naar de motor gebied van de STN. Deze plaatsing wordt bereikt door een combinatie van stereotactische beeldvorming en neuophysiological opnames.
  2. Details van de stereotactische planning en de chirurgische ingreep zelf zal uiteraard variëren tussen instellingen, maar het algemene proces is vergelijkbaar. Bij onze instelling, is een Cosman-Roberts-Wells stereotactische frame en de vaste kooi toegepast en een hoofd CT-scan verkregen. De CT met fiducials is samengevoegd met een voordien reeds verkregen volumetrische hersenen MRI op een neuro-navigatiesysteem (StealthStation, Medtronics, Minneapolis, MN, of BrainLAB VectorVision, Feldkirchen, Duitsland). De coördinaten van het doel hersengebied (STN in dit geval) worden geconverteerd naar frame-gebaseerde coördinaten. In de operatiekamer wordt de patiënt comfortabel gelegen in een semi-liggende houding, en voorbereid en gedrapeerd met behulp van standaard chirurgische technieken. De coördinaten van de linker STN zijn geprogrammeerd in het frame, dat is geplaatst op de patiënt. De huid wordt ingesneden en teruggetrokken. Burr gaten worden geplaatst, en een klein durale opening gecreëerd. Canules bevestigd aan een Microdrive worden in positie gebracht en gevorderden tot aan het puntje van de canules zijn 25 mm boven de doelstelling.
  3. Zodra de canules zijn geavanceerde in de hersenen, worden de interne stiletten verwijderd en vervangen door een hoge impedantie (0,3 - 1 Mega-Ohm) micro-elektroden (FHC, Bowdoin, ME). De signaalverwerking rig de pre-versterkers zijn aangesloten op elke elektrode en het differentieel referentie kanaal is aangesloten op de buitenste canule.
  4. Op de signaal-verwerking rig de versterkers zijn ingeschakeld en de extra-cellulaire signaal wordt beoordeeld. Bovendien is de impedantie van elke elektrode gecontroleerd voordat oprukkende verder in de hersenen.
  5. De chirurg vooruitgang de elektroden langzaam (0,05 tot 0.4 mm stappen) in de hersenen. De elektroden zijn geavanceerde vanaf 25 mm van de berekende doel de richting van de STN. Dit traject resulteert in de elektrode die door de nucleus caudatus, de thalamus, de zona INSERTA, en tot slot in het STN.
  6. Zodra de elektroden zijn binnengekomen de STN, de fysioloog manipuleert de patiënt contralaterale ledematen als een middel om vast te stellen of de neuronale signaal motor reageert. Toen de chirurg en onderzoeker zijn tevreden over de elektroden 'positie, kan de gedrags-taak worden gestart.

5. Data Acquisition

  1. Voordat u begint met de gedrags-taak, is het belangrijk om het document van de diepte van de micro-elektroden en de motor responsiviteit van het geïsoleerde neuron (s).
  2. Het onderwerp is dan de opdracht dat de taak begint. Zorg ervoor dat de knop doos is nog steeds comfortabel geplaatst en dat de monitor volledig zichtbaar is.
  3. Start de data-acquisitie en het verwerven van baseline werkzaamheid gedurende ten minste een minuut vóór het begin van de gedrags-taak.
  4. Als het onderwerp voert de taak is het belangrijk om toezicht op de vastgelegde gegevens. Met een verstoring in het verwerven, moet de taak worden gestopt en het probleem verholpen.
  5. In de huidige studie, is het onderwerp gevraagd om 120 trials voor elke STN diepte uit te voeren.
  6. De taken kunnen worden uitgevoerd meerdere keren voor elke diepte in de STN, maar er zijn beperkingen aan de duur van deze intra-operatieve studies (verder beschreven in de discussie). We beperken experimentele opnametijd tot 30 minuten tot ongemak voor de patiënt en onnodige verlenging van de operatie te voorkomen. Bovendien, het onderwerp heeft de mogelijkheid om verder opnames te weigeren op elk moment, in welk geval de gedrags-taak is gestopt en een operatie hervat.
  7. Zodra het onderzoek is afgerond, worden de gegevens back-up en gearchiveerd voor latere analyse.

6. Data Analysis

  1. Eerst worden de neuronale signalen onderscheiden in individuele spike timestamps met commercieel verkrijgbare software.
  2. De gedrags-taak codes worden vervolgens ontleed, en de neuronale activiteit tijdstempels zijn uitgelijnd met behulp van code geschreven in Matlab.

Representatieve resultaten:

Figuur 1 geeft representatieve resultaten van een enkele STN neuron opgenomen tijdens de oorlog spel zoals hierboven beschreven. De top panelen verbeelden rasters voornamelijk geconcentreerd rond vier gedragsmatig relevante tijdperken in de taak: de fixatie periode voorafgaand aan elke test, de presentatie van de kaart van het onderwerp, druk op de knop vermelding van het onderwerp van de inzet en de presentatie van de kaart van de computer. De onderste panelen vertegenwoordigen weggegooid (50 ms bakken) peri-stimulus tijd histogrammen (PSTHs). Dit neuron is niet robuust reageert op de presentatie van de kaart van het onderwerp, maar verhoogt de vuren aanzienlijk rondom de knop te drukken. Deze activiteit duurt tot de computer van de kaart is geopenbaard, op welk punt afvuren daalt tot de uitgangswaarde.

Figuur 1
Figuur 1. Vertegenwoordiger van STN neuron. Rasters (boven panelen) en peri-stimulus tijd histogrammen (PSTHs) gecentreerd op gedragsmatig relevante tijdperken zijn afgebeeld voor een representatief enkele STN neuron. Dit neuron's afvuren verhoogt rond de tijd van de druk op de knop vermelding van het onderwerp van de inzet.

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 een operatie biedt een waardevolle mogelijkheid om de activiteit van individuele neuronen te onderzoeken in de menselijke hersenen. Tot op heden deze gelegenheid heeft het mogelijk gemaakt tal van beschrijvende onderzoeken die de activiteiten van verschillende diepe kernen te karakteriseren. Meer recent zijn intra-operatieve taken steeds meer verfijnd om verschillende aspecten van het gedrag en cognitie adres. De bedoeling van het huidige protocol is het bieden van een leidraad voor de uitvoering van een succesvolle intra-operatieve gedrag taken. De doelen van de taak en het doel van het onderzoek zullen uiteraard variëren afhankelijk van de kern gericht op een operatie. Gezien het toenemende aantal aanvragen voor DBS operatie en navenant toenemende verscheidenheid aan doelen, verwachten wij ontluikende mogelijkheden voor studie van de menselijke hersenen functioneren op het niveau van individuele neuronen.

Er zijn een aantal factoren en kritische stappen die moeten worden overwogen bij de implementatie van een intra-operatieve onderzoek. Foremost, er zijn veel tijd beperkingen aan deze studies, wat resulteert in een beperkt aantal gedrags-proeven die kunnen worden verzameld voor elk onderwerp. Vandaar dat bij het ontwerpen van een taak, moet men zorgvuldig het aantal voorwaarden in de taak om voldoende statistische power ervoor te zorgen dat een effect te zien. Er zijn een aantal manieren om deze beperking te overwinnen. Men zou kunnen proberen om het aantal proef conditie permutaties te verminderen, vereenvoudigen van de complexiteit van het proces sequenties, en / of gewoon meer gegevens te verzamelen. Een tweede belangrijke beperking van deze studies is de kwaliteit van de neurofysiologische gegevens. Omdat de single-unit isolatie is gedaan in de operatiekamer instelling en niet het laboratorium, stabiele hoge signaal-ruisverhouding opnames zijn moeilijk te bereiken. Als de kwaliteit van de neuronale signalen af ​​in het begin van een gedrags-sessie, is het raadzaam dat men de taak te stoppen en te isoleren nieuwe neuronen. Een laatste, cruciale stap is dat de patiënt voldoende tijd om de gedrags-taak meester. Als deze stap is over het hoofd gezien, zal de verzamelde gegevens waarschijnlijk worden verstoord door leereffecten. Daarom gebruik maken van de pre-operatieve periode om ervoor te zorgen dat het onderwerp is getraind en volledig begrijpt de taak.

Intra-operatieve onderzoeken bieden een unieke kans om het menselijk brein en pathologie te begrijpen. Echter, deze experimenten zich voordoen in de dynamische omstandigheden van een operatiekamer en zijn daarom onderworpen aan complicaties niet vaak gezien in de goed gecontroleerde omgeving van een onderzoekslaboratorium.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Geen belangenconflicten verklaard.

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).
Intra-operatieve Behavioral Taken in Awake Mensen ondergaan Deep Brain Stimulation Chirurgie
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