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Medicine

Intra-Operative Behavioral Aufgaben in Awake Humans Undergoing Deep Brain Stimulation Chirurgie

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

Summary

Tiefe Hirnstimulation Chirurgie bietet eine einzigartige Gelegenheit, um Informationen Kodierung in der wach menschliche Gehirn zu untersuchen. Dieser Artikel beschreibt intra-operative Methoden zur kognitiven und verhaltensbezogenen Aufgaben gleichzeitig zu erwerben physiologische Daten wie EMG, single-unit neuronaler Aktivität und / oder lokale Feldpotentiale.

Abstract

Tiefenhirnstimulation (DBS) ist ein chirurgischer Eingriff, dass eine chronische, hochfrequente elektrische Stimulation lenkt, um bestimmte Ziele in das Gehirn durch implantierte Elektroden. Tiefenhirnstimulation wurde zuerst als eine therapeutische Modalität durch Benabid et al umgesetzt. In den späten 1980er Jahren, als er diese Technik verwendet, um den ventralen Zwischen Kern des Thalamus zur Behandlung von Tremor 1 stimulieren. Derzeit ist das Verfahren zur Behandlung von Patienten, die angemessen auf medizinische Behandlung für Krankheiten wie Parkinson, Dystonie und essentieller Tremor nicht zu behandeln. Die Wirksamkeit dieses Verfahrens für die Behandlung der Parkinson-Krankheit hat in gut versorgt, randomisierte, kontrollierte Versuche 2 nachgewiesen. Derzeit hat die US Food and Drug Administration DBS als Behandlung für Patienten mit therapieresistenten essentieller Tremor, Morbus Parkinson und Dystonie zugelassen. Darüber hinaus ist DBS derzeit für die Behandlung anderer psychiatrischer und neurologischer Erkrankungen wie Zwangsstörungen, Depressionen, Epilepsie und ausgewertet.

DBS hat nicht nur gezeigt, dass Menschen durch die Verbesserung ihrer Lebensqualität beitragen, sondern bietet auch den Forschern die einzigartige Gelegenheit, zu studieren und zu verstehen, das menschliche Gehirn. Mikroelektrodenaufzeichnungen werden routinemäßig während DBS Operation durchgeführt, um die Genauigkeit der anatomischen Ausrichtung zu verbessern. Firing Muster der einzelnen Neuronen kann daher aufgezeichnet, während das Thema führt eine Verhaltens-Aufgabe sein. Frühe Studien mit diesen Daten auf deskriptive Aspekte, einschließlich der Brenn-und Burst-Raten, und Frequenzmodulation 3 fokussiert. Neuere Studien haben auf die kognitiven Aspekte des Verhaltens in Bezug auf die neuronale Aktivität 4,5 konzentriert. Dieser Artikel liefert eine Beschreibung des intra-operative Methoden zur Verhaltens-Aufgaben ausführen und aufzeichnen neuronalen Daten mit wachen Patienten während DBS Fällen. Unsere Darlegung der Prozess des Erwerbs von elektrophysiologischen Daten beleuchten die aktuellen Möglichkeiten und Grenzen der intra-operativen Experimente an Menschen.

Protocol

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1. Betreff Rekrutierung und Zustimmung

  1. Nach klinischen Beurteilung und Zustimmung für Nucleus subthalamicus (STN) Tiefenhirnstimulation (DBS) für feuerfeste Parkinson-Krankheit, ist jedes Patienten Informationen überprüft, um festzustellen, ob er / sie erfüllt die Kriterien für die intra-operative-Studie (die in einem Institutional Review Vorstand genehmigte Protokoll am Massachusetts General Hospital).
  2. Wenn festgestellt wird, dass das Thema der Studie Kriterien erfüllt, nähert sich einem Arzt Mitglied der Studiengruppe (nicht der Operateur) des Patienten auf die Möglichkeit der Teilnahme an der Studie zu diskutieren.
  3. Die Einverständniserklärung für die Teilnahme an der Studie wird dann überprüft und erläutert das Thema. Wichtig ist, betont die Erklärung die Studie, dass die Teilnahme an der Studie ist freiwillig und dass an keiner Stelle er / sie hat die Möglichkeit, von der Teilnahme zurückzutreten. Darüber hinaus ist es dann betonte, dass ihre Diskussion zu beteiligen oder in der Studie zurückzutreten keine Auswirkungen auf die medizinische Versorgung wird er / sie erhalten hat.
  4. Wenn festgestellt wird, dass das Thema versteht und stimmt zu, an der Studie teilnehmen, er / sie Zeichen der zugelassenen Einwilligung und ist in die Studie aufgenommen.

2. Verhaltenstraining und Rig-Setup

  1. Als Teil der DBS Operation zur Behandlung der Parkinson-Krankheit, sind Themen, ins Krankenhaus eingeliefert einen Tag vor der Operation. Daher bietet sich hier die Gelegenheit, das Thema auf der Verhaltensebene Aufgabe zu schulen. Dieses Training ist wichtig, da es ein Zeitraum, in dem das Thema lernen, die Aufgabe zu erfüllen und weiter zu entwickeln Komfort mit seinen Regeln gibt, die Beseitigung "Lerneffekte" verwechselt (siehe Diskussion).
  2. Ein tragbares Verhalten rig ist es, das Thema Krankenzimmer in der Nacht vor der Operation gebracht.
  3. Diese Anlage ist mit der exakt gleichen Verhaltens Aufgabe, die Gegenstand benötigt, um am Tag des intra-operative-Studie durchzuführen ausgestattet ist.
    1. In diesem Beispiel wird die Versuchsperson gebeten, ein Kartenspiel, ähnlich wie das Spiel von "Krieg" zu spielen. In diesem Spiel ist das Thema benötigt, um Wette (entweder $ 20 oder $ 5), ob seine Karte höher als die des Computers. Die Absicht dieser Aufgabe ist es, Assay die Rolle der Belohnung und Risiko auf die neuronale Codierung in der STN. Um das Thema Anreize wird ihnen gesagt, dass sie einen Teil ihrer Gewinne gezahlt werden.
    2. Als Mittel zur Reduzierung der möglichen Kombinationen (und die daraus resultierenden verwechselt), sind nur geradzahlige Karten einer einzigen Farbe (z. B. 2, 4, 6, 8, und 10 der Pik). Als solche können die möglichen Ergebnisse und Erwartungen der Aufgabe leicht berechnet und analysiert werden.
    3. In jedem Versuch, das Thema zum ersten Mal sieht ein Bildschirm darstellen ihren Zufallsprinzip behandelt Karte und der Rückseite des unbekannten Computer-Karte. Der Bildschirm zeigt dann die beiden Wette Möglichkeiten, $ 5 und $ 20. Basierend auf der relativen Stärke seiner / ihrer Karte, wird der Gegenstand der mit einem Knopfdruck Wette, nach der der Bildschirm seine / ihre Karte und das offenbarte Computer die Karte zeigt. Der letzte Bildschirm explizit visualisiert die Höhe gewonnen oder verloren.
  4. Das Thema ist erlaubt, das Spiel zu spielen, bis sie vollständig verstehen die Regeln des Spiels, und führen Sie auf einem komfortablen Niveau.

3. Intra-operative - Versuchsaufbau

  1. Sobald das Motiv auf dem OP-Tisch positioniert wurde, wird die Anlage mit den Verhaltens-, Datenerfassungs-und Signalprozessoren in den Operationssaal gebracht. Rig Positionierung muss berücksichtigt normalen Arbeitsablauf und Sterilität Fragen im Zusammenhang mit den OP-Einstellung übernehmen.
  2. Als Komponenten dieser Anlagen Montage und Demontage für jede Aufnahme-Session, ist es wichtig, alle Geräte Verbindungen zu überprüfen. Daher ist, wie jede Komponente, die Datenerfassung System angeschlossen ist, muss man die Integrität der Daten. Diese Verfahren sollten in den frühen Operation durchgeführt werden, um zu verhindern dass diese Fragen während der kritischen Zeit der Aufnahme zu beheben.
    1. Zunächst starten Sie den Erwerb und die Signalverarbeitung Ausrüstung. Verbinden Sie die Ausgänge der Signalverarbeitung rig auf die Eingänge der Übernahme rig. Im Falle dieser Studie werden wir Erwerb von drei extra-zelluläre Aktionspotential Kanäle entsprechend drei para-sagittal orientierten Elektroden, die in das Thema Gehirn während der Operation fortgeschritten sein wird. Schalten Sie den Verstärker ein zu einer Zeit, um sicherzustellen, dass der Erwerb System übernimmt die Signale.
    2. Befestigen Sie den Monitor am OP-Tisch in angenehmste Position mit einem entsprechenden Adapter.
    3. Wenn ein Eingabegerät (Joystick, Button-Box, Tastatur, etc.) eingesetzt wird, positionieren Sie das Gerät mit Aufmerksamkeit auf eine Lateralität in Bezug auf die Seite des Gehirns, aus denen Aufnahmen gewonnen werden. Stellen Sie sicher, dass das Thema die Hand bequem positioniert ist, um das Eingabegerät zu betreiben. Bitten Sie den Anästhesisten zu secure den Puls Sauerstoffversorgung Monitor auf der anderen Seite um den ordnungsgemäßen Betrieb des Geräts zu gewährleisten. In dieser Aufgabe verwenden wir eine Schaltfläche angezeigt.
    4. Starten Sie das Verhalten und sicherzustellen, dass Verhaltensstörungen Ereignismarker wird durch den Erwerb rig eingefangen.
    5. Starten Sie das Verhalten Aufgabe und damit das Thema, ein paar Versuche mit der Aufgabe zu spielen. Während dieser Zeit sicherzustellen, dass die Akquisition ist die Erfassung der Schaltfläche Feld-Eingänge und der Verhaltensebene Marker durch die Verhaltens-rig erzeugt.
    6. Wenn alle Verbindungen funktionsfähig sind, stoppen Sie das Verhalten Aufgabe und Übernahme rig.

4. Isolierung von Nucleus subthalamicus Neurons

  1. Die Ziele der Operation sind zu Ort chronischen DBS führt in der motorischen Region der STN. Diese Platzierung ist durch eine Kombination von stereotaktischen Bildgebung und neuophysiological Aufnahmen erreicht.
  2. Details der stereotaktischen Planung und den chirurgischen Eingriff selbst wird natürlich variieren zwischen Einrichtungen, aber die allgemeine Vorgehensweise ist ähnlich. An unserer Institution ist ein Cosman-Roberts-Wells stereotaktischen Rahmen und fiducial Käfig aufgetragen und ein Kopf CT-Scan erhalten. Die CT mit Passermarken wird mit einer zuvor erhaltenen volumetrischen MRT des Gehirns auf eine neuro-Navigationssystem (oder BrainLab VectorVision, Feldkirchen, Deutschland StealthStation, Medtronics, Minneapolis, MN) zusammengeführt. Die Koordinaten des Ziels Hirnregion (STN in diesem Fall), um Frame-basierte Koordinaten umgewandelt. Im Operationssaal wird der Patient bequem in einem semi-Liegeposition positioniert und desinfiziert und abgedeckt mit Standard-OP-Technik. Die Koordinaten der linken STN sind in den Rahmen, der auf dem Patienten positioniert ist programmiert. Die Haut wird inzidiert und eingefahren. Burr Löcher platziert sind, und eine kleine durale Öffnung geschaffen. Kanülen an einem Microdrive sind in Position gebracht und Fortgeschrittene, bis die Spitze der Kanülen 25 mm über der Zielvorgabe sind.
  3. Sobald die Kanülen in das Gehirn sind fortschrittliche, sind die internen Stilette entfernt und ersetzt mit hoher Impedanz (0,3 bis 1 Mega-Ohm) Mikroelektroden (FHC, Bowdoin, ME). Die Signalverarbeitung rig ist pre-Verstärker sind für jede Elektrode verbunden und das Differential Referenz Kanal liegt auf der äußeren Kanüle verbunden.
  4. Auf der Signal-Verarbeitung rig die Verstärker eingeschaltet sind und die extra-zelluläre Signal bewertet wird. Darüber hinaus ist die Impedanz für jede Elektrode vor weiteren Vordringen in das Gehirn kontrolliert.
  5. Der Chirurg fördert die Elektroden langsam (0,05-0,4 mm-Schritten) in das Gehirn. Die Elektroden sind fortgeschrittene ab 25mm aus dem berechneten Ziel zum STN. Diese Bahn führt in der Elektrode, die durch den Nucleus caudatus, dem Thalamus, der Zona inserta, und schließlich in den STN.
  6. Sobald die Elektroden der STN eingegeben haben, manipuliert der Physiologe des Patienten kontralateralen Gliedmaßen als Mittel zur Feststellung, ob die neuronale Signal Motor reagiert wird. Wenn der Chirurg und Experimentator mit den Elektroden die Position zufrieden sind, können die Verhaltens-Task gestartet werden.

5. Data Acquisition

  1. Vor dem Start des Verhaltens Aufgabe, ist es wichtig, die Tiefe der Mikroelektroden und der Motor Reaktionsfähigkeit des isolierten Neuron (s) zu dokumentieren.
  2. Das Thema wird dann angewiesen, dass die Aufgabe beginnt. Stellen Sie sicher, dass der Button-Box noch bequem positioniert und dass der Monitor vollständig sichtbar ist.
  3. Starten Sie die Datenerfassung und-erwerben Baseline-Aktivität für mindestens 1 Minute vor dem Start des Verhaltens Aufgabe.
  4. Da das Thema erledigt die Aufgabe ist es wichtig, die erfassten Daten zu überwachen. Mit einer Unterbrechung in der Akquisition, sollte die Aufgabe gestoppt werden und das Problem behoben.
  5. In der aktuellen Studie ist die Versuchsperson gebeten zu 120 Prüfungen für jedes STN Tiefe durchzuführen.
  6. Die Aufgaben können mehrmals für jede Tiefe in der STN durchgeführt werden, allerdings gibt es Einschränkungen für die Dauer dieser intra-operative Studien (weitere in der Diskussion beschrieben). Wir beschränken experimentellen Aufnahmezeit um 30 Minuten, um die Beeinträchtigung des Patienten und unnötige Verlängerung der Operation zu verhindern. Darüber hinaus hat das Thema die Möglichkeit, weitere Aufnahmen jederzeit ablehnen, in diesem Fall die Verhaltens-Task gestoppt wird und der Operation wird fortgesetzt.
  7. Sobald die Studie abgeschlossen ist, werden die Daten gesichert und archiviert werden für die spätere Analyse.

6. Data Analysis

  1. Zunächst werden die neuronalen Signale in einzelne spike Zeitstempel mit kommerziell erhältlicher Software diskriminiert.
  2. Der Verhaltensforscher Aufgabe Codes werden dann analysiert, und die neuronale Aktivität Zeitstempel ausgerichtet sind mit dem Code scripted in Matlab.

Repräsentative Ergebnisse:

Abbildung 1 zeigt repräsentative Ergebnisse aus einer STN Neuronen während des Krieges Spiel oben beschrieben aufgezeichnet. Das top-Panels zeigen Raster auf vier verhaltensrelevanter Epochen in der Task-zentriert: die Zinsbindung vor jedem Versuch, Präsentation des Subjekts Karte, ist die Taste drücken, zeigt das Thema Wette, und Präsentation des Computers Karte. Die Bodenplatten stellen binned (50 ms bins) peri-stimulus Zeithistogramme (PSTHs). Das Neuron nicht robust reagieren Präsentation des Subjekts Karte, sondern erhöht die Brand erheblich um den Knopf zu drücken. Diese Tätigkeit dauert, bis der Computer die Karte aufgedeckt wurde, an welcher Stelle feuern auf das Ausgangsniveau sinkt.

Abbildung 1
Abbildung 1. Vertreter STN Neurons. Raster (obere Bilder) und peri-stimulus Zeithistogramme (PSTHs) auf verhaltensrelevanter Epochen zentriert sind für eine repräsentative Single STN Neuron dargestellt. Diese Neuronen feuern steigt deutlich um die Zeit von den Knopf drücken Angabe des Subjekts Wette.

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Discussion

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Deep Brain Stimulation Chirurgie bietet eine wertvolle Gelegenheit, um die Aktivität einzelner Neuronen im menschlichen Gehirn zu untersuchen. Bis heute diese Gelegenheit hat zahlreiche beschreibende Studien, dass die Aktivitäten der verschiedenen tiefen Kerne charakterisieren gestattet. In jüngerer Zeit haben intra-operativen Aufgaben werden immer ausgefeilter, um verschiedene Aspekte von Verhalten und Kognition Adresse. Die Absicht des aktuellen Protokolls ist es, einen Leitfaden für die Umsetzung erfolgreicher intra-operative Verhaltensstörungen Aufgaben. Die Ziele der Aufgabe und der Zweck der Studie wird natürlich variieren auf den Kern für eine Operation gezielt je. Angesichts der zunehmenden Anzahl von Anwendungen für DBS Operation und entsprechend zunehmende Vielfalt von Zielen, erwarten wir wachsende Möglichkeiten für ein Studium Funktion des menschlichen Gehirns auf der Ebene der einzelnen Neuronen.

Es gibt eine Reihe von Faktoren und entscheidenden Schritte, die berücksichtigt werden müssen bei der Implementierung einer intra-operative Studie. In erster Linie gibt es erhebliche zeitliche Begrenzung dieser Studien, Ergebnisse, die in einer begrenzten Anzahl von Verhaltens-Studien, die für jedes Fach zu entnehmen ist. Daher müssen bei der Planung einer Aufgabe, sollte man nachdenklich die Anzahl der Bedingungen in der Aufgabe, um eine ausreichende statistische Aussagekraft zu gewährleisten, um einen Effekt zu sehen. Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, um diese Einschränkung zu überwinden. Man könnte versuchen, die Zahl der Studie Zustand Permutationen zu reduzieren, zu vereinfachen die Komplexität des Prozesses Sequenzen und / oder einfach zu sammeln mehr Daten. Eine zweite wesentliche Einschränkung dieser Studien ist die Qualität des neurophysiologischen Daten. Da Single-Unit-Isolierung ist in den OP-Einstellung gemacht und nicht im Labor, stabil hohen Signal-Rausch-Verhältnis Aufnahmen sind schwer zu erreichen. Wenn die Qualität der neuronalen Signalübertragung abnimmt früh in einem Verhaltens-Sitzung, ist es empfehlenswert, dass man die Aufgabe, zu stoppen und zu isolieren, neue Neuronen. Eine letzte, entscheidende Schritt ist damit der Patient ausreichend Zeit, um die Verhaltens-Aufgabe zu meistern. Wenn dieser Schritt übersehen haben, werden die gesammelten Daten am ehesten durch Lerneffekte zu verwechseln. Daher nutzen die präoperative Zeit, um sicherzustellen, dass das Thema geschult und versteht die Aufgabe.

Intra-operative Studien bieten eine einzigartige Möglichkeit, das menschliche Gehirn und die Pathologie zu verstehen. Allerdings treten diese Experimente in den dynamischen Bedingungen eines OP-Saal und unterliegen daher zu Komplikationen in der Regel nicht in den gut kontrollierten Umgebung eines Forschungslabors gesehen.

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Disclosures

Keine Interessenskonflikte erklärt.

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).
Intra-Operative Behavioral Aufgaben in Awake Humans Undergoing Deep Brain Stimulation Chirurgie
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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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