Login processing...

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

Medicine

תוך Operative משימות ההתנהגות בבני אדם ער שעברו ניתוח עמוק גירוי המוח

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

Summary

ניתוח עמוק גירוי המוח מציעה הזדמנות ייחודית לבחון את קידוד המידע במוח האדם ער. מאמר זה יתאר התוך אופרטיבית שיטות לבצע משימות קוגניטיביות והתנהגותיות ובמקביל רכישת נתונים פיזיולוגיים כמו פעילות EMG, יחידה אחת עצבי ו / או פוטנציאלים בשדה המקומי.

Abstract

גירוי מוחי עמוק (DBS) היא הליך כירורגי שמנתב גירוי כרוני, בתדירות גבוהה חשמלי מטרות ספציפיות במוח באמצעות אלקטרודות המושתל. גירוי מוחי עמוק יושמה לראשונה שיטת טיפולית ידי Benabid et al. בשנות ה -1980 המאוחרות, כאשר הוא השתמש בטכניקה זו כדי לגרות את גרעין ביניים הגחון של התלמוס לטיפול רעד 1. נכון לעכשיו, ההליך משמש לטיפול בחולים אשר אינם מגיבים כראוי לניהול רפואי לטיפול במחלות כגון פרקינסון, דיסטוניה, רעד והוא חיוני. היעילות של הליך זה לטיפול במחלת הפרקינסון הודגמה היטב מופעל, מחקרים אקראיים מבוקרים 2. נכון להיום, מינהל המזון והתרופות האמריקאי אישר DBS לטיפול בחולים עם רעד חיוני עקשן רפואית, מחלת פרקינסון, דיסטוניה ו. בנוסף, DBS כרגע נבדקים לטיפול בהפרעות פסיכיאטריות ונוירולוגיות אחרות, כגון הפרעה אובססיבית כפייתית, הפרעת דיכאון, ואפילפסיה.

DBS לא רק הוכח לעזור לאנשים על ידי שיפור איכות חייהם, הוא גם מספק לחוקרים הזדמנות ייחודית ללמוד ולהבין את המוח האנושי. הקלטות microelectrode מבוצעים באופן שגרתי על מנת לשפר את הדיוק של המיקוד אנטומיים במהלך הניתוח DBS. דפוסי ירי של נוירונים בודדים ולכן יכול להיות מוקלט תוך הנושא מבצעת משימה התנהגותית. מחקרים מוקדמים באמצעות נתונים אלה התמקדו בהיבטים תיאוריים, כולל ירי ושיעורי פרץ, ו אפנון תדר 3. מחקרים מאוחרים יותר התמקדו בהיבטים הקוגניטיביים של התנהגות ביחס הפעילות העצבית 4,5. מאמר זה יספק תיאור של התוך אופרטיבית שיטות לבצע משימות התנהגותיות רשומת נתונים העצבית עם מטופלים ער במהלך במקרים DBS. אקספוזיציה שלנו בתהליך של רכישת נתונים אלקטרו יאירו את היקף הנוכחי והמגבלות של הניתוח התוך ניסויים בבני אדם.

Protocol

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

1. נושא גיוס הסכמה ו

  1. בעקבות הערכה הסכמה קליניים עבור subthalamic גרעין (STN) גירוי מוחי עמוק (DBS) עבור מחלת פרקינסון עקשן, מידע של כל מטופל נבדק על מנת לקבוע אם הוא / היא עונה על הקריטריונים למחקר התוך אופרטיבית (המוגדר ביקורת מוסדי פרוטוקול מועצת המנהלים אישרה בבית החולים הכללי של מסצ'וסטס).
  2. אם זה נקבע כי הנושא עומד בקריטריונים המחקר, חבר רופא של קבוצת המחקר (לא מנתח ההפעלה) גישות המטופל כדי לדון באפשרות של השתתפות במחקר.
  3. טופס הסכמה להשתתפות במחקר נבדק אז והסביר בנושא. חשוב מכך, ההסבר של המחקר מדגיש כי ההשתתפות במחקר היא על בסיס התנדבותי, וכי בשלב כלשהו הוא / היא יש אפשרות לסגת השתתפות. יתר על כן, הוא הדגיש אז כי הדיון שלהם להשתתף או לפרוש במחקר אין כל השפעה על הטיפול הרפואי הוא / היא יקבלו.
  4. אם זה נקבע כי הנושא מבין מסכים להשתתף במחקר, הוא / היא חותם על הסכמה מדעת שאושר והוא נרשם המחקר.

2. הגדרת ההתנהגות הדרכה Rig

  1. כחלק ניתוח DBS למחלת פרקינסון, נושאים מתקבלים לבית החולים, יום אחד לפני הניתוח. לפיכך, זה מציע הזדמנות לאמן את הנושא על עצמו את המשימה התנהגותיות. הכשרה זו חיונית כפי שהיא מספקת פרק זמן שבמהלכו הנושא יכול ללמוד לבצע את המשימה לפתח נוחות עם חוקיה, הסרת "תופעות למידה" מקעקעת (עיין בדיון).
  2. לבוש התנהגות ניידים מובא לחדר החולים של הנבדק בלילה לפני הניתוח.
  3. לבוש זה מצויד משימה המדויק התנהגות זהה אשר נושא נדרש לבצע ביום המחקר התוך אופרטיבית.
    1. בדוגמה זו, הנושא הוא ביקש לשחק משחק קלפים דומה למשחק של "מלחמה". במשחק הזה, הנושא הוא נדרש להתערב (או 20 $ או $ 5), האם הכרטיס שלו או שלה גבוה מזה של המחשב. הכוונה של משימה זו היא assay את התפקיד של שכר הסיכון על קידוד עצבי של STN. על מנת לתמרץ את הנושא הם אמרו כי הם ישולמו שיעור הזכיות שלהם.
    2. כאמצעי של הפחתת שילובים פוטנציאל (וגם בלבול וכתוצאה מכך), רק כרטיסי הזוגי של חליפה אחת משמשים (למשל, 2, 4, 6, 8 ו 10 עלה). ככזה, התוצאות הפוטנציאל ואת הציפיות של המשימה ניתן לחשב בקלות ונותחו.
    3. במשפט אחד, הנושא הראשון רואה מסך המציג כרטיס עסק אקראי שלהם, את החלק האחורי של הכרטיס המחשב לא ידוע. המסך ואז מראה שתי אפשרויות להמר, 5 $ ו 20 $. בהתבסס על יחסי הכוחות של שלו / כרטיס הביקור שלה, הנושא מציין את ההימור בלחיצת כפתור, לאחר מכן המסך מראה שלו / שלה כרטיס כרטיס של המחשב עולה. המסך הסופי במפורש מתאר את כמות מנצחים או מפסידים.
  4. הנושא הוא רשאי לשחק את המשחק עד שהם מבינים את כללי המשחק ולבצע ברמה נוחה.

3. תוך אופרטיבית - ניסויית ההתקנה

  1. פעם הנושא היה ממוקם על שולחן הניתוחים, לבוש המכיל את רכישת ההתנהגות, הנתונים ועיבודם ציוד איתות מובא לחדר הניתוח. מיקום המתקן חייב לקחת בחשבון זרימת עבודה נורמלית בעיות עקרות הקשורים הגדרה לחדר הניתוח.
  2. כמו רכיבים של אסדות אלה התאספו מפורקים עבור כל פגישה הקלטה, חיוני כדי לבדוק את כל החיבורים לציוד. לכן, כמו כל רכיב מחובר למערכת רכישת נתונים, יש לבדוק את תקינות הנתונים. נהלים אלה צריך להיעשות בתחילת הניתוח, כדי למנוע צורך לפתור בעיות אלה בזמן הקלטה קריטי.
    1. ראשית, לאתחל את רכישת הציוד לעיבוד אותות. חבר את התפוקות של המתקן עיבוד אותות אל התשומות של רכישת המתקן. במקרה של מחקר זה, נהיה רכישת three חוץ הסלולר פוטנציאל פעולה ערוצי המקביל לשלושה para-sagittally אוריינטציה אלקטרודות יהיה מתקדמים לתוך המוח של הנבדק במהלך הניתוח. הפוך על אחד מגברים בכל פעם, כדי להבטיח כי מערכת הרכישה רוכשת את האותות.
    2. Secure את הצג או בטבלה במצב צפייה נוחה באמצעות מתאם מתאים.
    3. אם התקן קלט (ג'ויסטיק כפתור תיבת מקלדת, וכו ') הוא מועסק, בתפקיד זה המכשיר, לשים לב צדדים יחסית בצד של המוח שממנו הקלטות יושג. ודא כי ידו של הנושא ממוקם בנוחות להפעיל את המכשיר קלט. חשוב לשאול את הרופא המרדים על זהecure לפקח חמצון הדופק מצד שני, כדי להבטיח פעולה תקינה של המכשיר. במשימה זו אנו משתמשים בתיבת כפתור.
    4. אתחול המערכת התנהגותיות להבטיח כי סמנים אירוע התנהגותי נמצאים בשבי מעטה הרכישה.
    5. התחל את המשימה התנהגותיות לאפשר הנושא לשחק כמה נסיונות של המשימה. במהלך תקופה זו, להבטיח כי מערכת הרכישה הוא לכידת בתיבת כפתור תשומות סמנים התנהגותיים שנוצר על ידי המתקן התנהגותיות.
    6. אם כל החיבורים הם פונקציונליים, להפסיק את המשימה התנהגותיות מעטה הרכישה.

4. בידוד של נוירונים גרעין Subthalamic

  1. מטרות הניתוח הן למקום כרונית DBS מוביל לאזור המנוע של STN. מיקום זו מושגת באמצעות שילוב של הדמיה stereotactic והקלטות neuophysiological.
  2. פרטים על תכנון stereotactic ואת הליך כירורגי עצמו יהיה כמובן להשתנות על פני מוסדות, אך התהליך הכללי הוא דומה. במוסד שלנו, מסגרת Cosman-רוברטס, וולס stereotactic וכלוב fiducial מוחל וראש בדיקת CT שהושגו. CT עם fiducials היא התמזגה עם מוח שהושגו בעבר MRI volumetric במערכת נוירו ניווט (StealthStation, Medtronics, במיניאפוליס, מינסוטה, או BrainLab VectorVision, Feldkirchen, גרמניה). קואורדינטות של אזור במוח היעד (STN במקרה זה) מומרים מסגרת מבוססות קואורדינטות. בחדר הניתוח, החולה ממוקם בנוחות במצב למחצה מסובים, ו prepped וכיסה באמצעות טכניקה כירורגית רגילה. הקואורדינטות של STN שמאל מתוכנתים לתוך מסגרת, אשר ממוקם על המטופל. העור הוא חרות ו חזר בו. חורים בר ממוקמים, ופתח dural קטן שנוצר. Cannulae המצורפת Microdrive הם הביאו למצב מתקדמים עד קצה cannulae הם 25 מ"מ מעל היעד.
  3. לאחר cannulae הם מתקדמים לתוך המוח, stylets הפנימי יוסרו והחליפו עם עכבה גבוהה (0.3-1 מגה אוהם) microelectrodes (fhc, בודוין, ME). עיבוד אותות של המתקן קדם מגברים מחוברים כל אלקטרודה ואת ערוץ התייחסות ההפרש מחוברת צינורית החיצוני.
  4. על המתקן עיבוד אותות מגברים מופעלים את האות חוץ הסלולר נבחנת. בנוסף, העכבה של כל אלקטרודה נבדקת לפני קידום נוסף לתוך המוח.
  5. המנתח מקדמות את האלקטרודות לאט (0.05-0.4 צעדים מ"מ) לתוך המוח. אלקטרודות הם מתקדמים החל 25mm מהיעד המחושב כלפי STN. מסלול התוצאה האלקטרודה עובר דרך גרעין caudate, התלמוס, inserta zona, ולבסוף לתוך STN.
  6. לאחר האלקטרודות נכנסו STN, פיזיולוג מתפעל גפיים הנגדי של החולה כאמצעי הקמת אם האות העצבי הוא המנוע מגיב. כאשר המנתח הנסיין מרוצים עמדת אלקטרודות, המשימה התנהגותיים ניתן להתחיל.

5. Data Acquisition

  1. לפני שמתחילים את המשימה התנהגותיים, חשוב לתעד את עומק microelectrodes ואת ההיענות המוטורית של נוירון בודד (ים).
  2. הנושא הוא הורה אז המשימה תתחיל. ודא כי תיבת הכפתור הוא עדיין ממוקם בנוחות שהצג גלוי לחלוטין.
  3. הפעל את רכישת נתונים ולרכוש פעילות בסיסית במשך דקה לפחות 1 לפני תחילת משימה התנהגותית.
  4. כפי בנושא מבצע את המשימה חשוב לעקוב אחר הנתונים בשבי. עם הפרעה כלשהי הרכישה, המשימה צריכה להיות עצר לתקן את הבעיה.
  5. במחקר הנוכחי, הנושא הוא ביקש לבצע ניסויים על 120 עומק כל STN.
  6. המשימות ניתן לבצע מספר רב של פעמים עבור כל עומק של STN, אולם יש מגבלות על משך הזמן של אלו התוך אופרטיבית מחקרים (המתואר נוספת בדיון). אנו להגביל את זמן ההקלטה ניסיוני עד 30 דקות כדי למנוע סבל החולה הארכה מיותרת של הניתוח. יתר על כן, הנושא יש הזדמנות לדחות הקלטות נוספות בכל עת, ובמקרה זה את המשימה התנהגותי הוא עצר את קורות החיים הניתוח.
  7. לאחר השלמת המחקר, הנתונים מגובים בארכיון לניתוח שלאחר מכן.

6. ניתוח נתונים

  1. ראשית, אותות עצביים מופלים אל הפרט חותמות זמן ספייק באמצעות תוכנה זמינה באופן מסחרי.
  2. קודים התנהגותיים המשימה מנותחים ואז, ואת חותמות זמן הפעילות העצבית מיושרים באמצעות קוד תסריט ב-Matlab.

נציג תוצאות:

איור 1 מציג תוצאות נציג יחיד STN נוירון שנרשמו במהלך המשחק מלחמת שתוארו לעיל. לאלוחות אופ מתארים rasters מרוכז על ארבע תקופות רלוונטי התנהגותית במשימה: תקופת קיבוע לפני כל ניסוי, הצגת כרטיס של הנושא, לחץ על הכפתור המציין את הנושא של הימור, והצגת כרטיס של המחשב. לוחות התחתון מייצגים זרקת לפח (50 פחי ms) peri-גירוי היסטוגרמות זמן (PSTHs). נוירון זה אינו מגיב וחסונה למצגת של הכרטיס של הנושא, אבל מגדיל משמעותית את הירי שלו סביב ללחוץ על הכפתור. פעילות זו נמשכת עד כרטיס של המחשב מתגלה, שבו יורים נקודה יורדת לרמות הבסיס.

איור 1
באיור 1. נציג STN נוירון. Rasters (פאנלים למעלה) פרי ו-גירוי זמן היסטוגרמות (PSTHs) התרכזו התקופות הרלוונטיות התנהגותית מתוארים עבור נציג בודד STN נוירון. ירי של נוירון זה מגדיל באופן משמעותי סביב זמן ללחוץ על הכפתור המציין הנושא של הימור.

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

ניתוח Deep Brain Stimulation מציעה הזדמנות רבת ערך כדי לבחון את הפעילות של נוירונים בודדים במוח האנושי. עד כה הזדמנות זו אפשרה מחקרים תיאוריים רבים המאפיינים את הפעילות של הגרעינים עמוק שונים. לאחרונה, תוך פעולה משימות הפכו מתוחכמות יותר על מנת לטפל בהיבטים השונים של התנהגות וקוגניציה. הכוונה של הפרוטוקול הנוכחי היא לספק מדריך ליישום מוצלח התוך אופרטיבית משימות התנהגותיות. המטרות של המשימה ואת מטרת המחקר יהיה כמובן להשתנות בהתאם גרעין ממוקד עבור הניתוח. בהתחשב במספר גדל והולך של יישומים לניתוח DBS מגוון הולך וגדל של מטרות במקביל, אנו צופים הזדמנויות המתפתחת לחקר תפקוד המוח האנושי ברמה של נוירונים בודדים.

ישנם מספר גורמים צעדים קריטיים צריכים להילקח בחשבון בעת ​​יישום מחקר התוך ניתוחית. בראש ובראשונה, יש מגבלות זמן רב המחקרים הללו, שתוצאתה מספר מצומצם של ניסויים התנהגותיים שניתן שנאספו עבור כל נושא. לפיכך, בעת תכנון משימה, יש בהרהור להגביל את מספר תנאים במשימה כדי להבטיח מספיק כוח סטטיסטי כדי לראות השפעה. ישנן מספר דרכים להתגבר על מגבלה זו. אפשר לנסות לצמצם את מספר תמורות בתנאי הניסוי, לפשט את המורכבות של רצפים משפט, ו / או פשוט לאסוף נתונים נוספים. מגבלה משמעותית השני המחקרים הללו הוא איכות הנתונים neurophysiological. מכיוון יחידה אחת הבידוד נעשית במסגרת לחדר הניתוח ולא במעבדה, יציבות גבוהה אות לרעש הקלטות יחס קשה להשיג. אם איכות האות העצבי יורד מוקדם בפגישה התנהגותית, מומלץ כי אחד להפסיק את המשימה לבודד נוירונים חדשים. צעד אחד הסופי, הוא קריטי המאפשר מספיק זמן המטופל לשלוט משימה התנהגותית. אם הצעד הזה הוא להתעלם, הנתונים שנאספו יהיה ככל הנראה בלבל ידי תופעות למידה. לכן, לנצל את תקופת טרום ניתוחית על מנת להבטיח כי הנושא הוא מאומן מבין את המשימה.

תוך אופרטיבית מחקרים מספקים הזדמנות ייחודית באמת להבין את המוח האנושי ואת הפתולוגיה. עם זאת, הניסויים הללו מתרחשים התנאים הדינמיקה של חדר ניתוח ולכן הם כפופים סיבוכים לא ראיתי בדרך כלל בסביבה מבוקרת היטב של מעבדת מחקר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

אין ניגודי אינטרסים הכריז.

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).
תוך Operative משימות ההתנהגות בבני אדם ער שעברו ניתוח עמוק גירוי המוח
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