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Medicine

जाग डीप ब्रेन उसकाव सर्जरी के दौर से गुजर मनुष्य में अंतर ऑपरेटिव व्यवहार कार्य

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

Summary

गहरी मस्तिष्क प्रोत्साहन सर्जरी जाग मानव मस्तिष्क में जानकारी एन्कोडिंग की जांच के लिए एक अनूठा अवसर प्रदान करता है. यह लेख अंतर ऑपरेटिव संज्ञानात्मक व्यवहार और कार्य प्रदर्शन करते हुए एक साथ EMG, एकल इकाई neuronal गतिविधि और / या स्थानीय क्षेत्र क्षमता जैसे शारीरिक डेटा प्राप्त तरीकों का इस्तेमाल किया वर्णन करेंगे.

Protocol

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1. विषय भर्ती और सहमति

  1. नैदानिक ​​और subthalamic (STN) दुर्दम्य पार्किंसंस रोग के लिए गहरी मस्तिष्क प्रोत्साहन (डीबीएस) नाभिक के लिए मूल्यांकन की सहमति के बाद, प्रत्येक रोगी की जानकारी के क्रम में निर्धारित करने के लिए समीक्षा की जाती है यदि वह / वह अंतर ऑपरेटिव अध्ययन (एक संस्थागत समीक्षा में निर्धारित मापदंडों को पूरा करने बोर्ड मैसाचुसेट्स जनरल अस्पताल में प्रोटोकॉल अनुमोदित).
  2. यदि यह निर्धारित किया जाता है कि इस विषय के अध्ययन के मानदंडों को पूरा करती है, अध्ययन समूह के एक चिकित्सक के सदस्य (ऑपरेटिंग सर्जन नहीं) रोगी दृष्टिकोण अध्ययन में भागीदारी की संभावना पर चर्चा की.
  3. अध्ययन में भाग लेने के लिए सहमति फार्म तो और समीक्षा की जाती है विषय को समझाया. महत्वपूर्ण बात है, अध्ययन की व्याख्या पर जोर दिया है कि अध्ययन में भागीदारी स्वैच्छिक है और कि वह / वह किसी भी बिंदु पर भागीदारी से वापस लेने का विकल्प है. इसके अलावा, यह तो पर जोर दिया है कि उनके भाग लेने या अध्ययन में वापस चर्चा चिकित्सा देखभाल वह / वह प्राप्त होगा पर कोई प्रभाव पड़ता है.
  4. यदि यह निर्धारित किया जाता है कि इस विषय को समझता है और अध्ययन में भाग लेने सहमत हैं, वह / वह अनुमोदित सूचित सहमति संकेत है और अध्ययन में दाखिला लिया.

2. व्यवहार प्रशिक्षण और रिग सेटअप

  1. पार्किंसंस रोग के लिए डीबीएस सर्जरी के एक भाग के रूप में, विषयों अस्पताल में एक सर्जरी से पहले दिन भर्ती कर रहे हैं. इसलिए, यह एक व्यवहार कार्य पर विषय ट्रेन का अवसर प्रदान करता है. यह प्रशिक्षण आवश्यक है के रूप में यह एक समय अवधि के दौरान जो इस विषय के लिए कार्य करने जानने के लिए और अपने नियमों के साथ आराम का विकास कर सकते हैं प्रदान करता है, "सीखने प्रभाव" घालमेल कर दिया है (चर्चा के लिए देखें) को हटाने.
  2. एक पोर्टेबल व्यवहार रिग सर्जरी से पहले की रात को विषय के अस्पताल के कमरे में लाया जाता है.
  3. इस रिग सटीक एक ही व्यवहार कार्य जो विषय अंतर ऑपरेटिव के अध्ययन के दिन पर प्रदर्शन करने के लिए आवश्यक है के साथ सुसज्जित है.
    1. इस उदाहरण में, विषय "युद्ध" के खेल के समान के लिए एक कार्ड खेल खेलने के लिए कहा है. इस खेल में, विषय है कि उसके या उसके कार्ड कंप्यूटर की तुलना में अधिक है के रूप में शर्त (या तो $ 20 या $ 5) की आवश्यकता है. इस कार्य के इरादे परख STN में neuronal एन्कोडिंग पर इनाम और जोखिम की भूमिका है. आदेश में इस विषय को प्रोत्साहित करने के लिए वे बता रहे हैं कि वे अपनी जीत का अनुपात भुगतान किया जाएगा.
    2. संभावित संयोजनों (और जिसके परिणामस्वरूप घालमेल कर दिया है) को कम करने के एक साधन के के रूप में, केवल एक ही सूट के भी गिने कार्ड (2 उदाहरण के लिए, 4, 6, 8, और हुकुम का 10) का उपयोग किया जाता है. जैसे, कार्य की संभावित परिणामों और उम्मीदों को आसानी से और गणना कर सकते हैं विश्लेषण.
    3. प्रत्येक परीक्षण में, इस विषय पहले उनके बेतरतीब ढंग से निपटा कार्ड है, और अज्ञात कंप्यूटर कार्ड के पीछे चित्रण स्क्रीन देखता है. स्क्रीन तो पता चलता है कि दो विकल्पों दांव, $ 5 और 20 डॉलर. उसकी / उसके कार्ड के रिश्तेदार ताकत के आधार पर, विषय एक बटन की धक्का के साथ दांव, जिसके बाद उसकी / उसके कार्ड और कार्ड से पता चला कंप्यूटर स्क्रीन से पता चलता है इंगित करता है. अंतिम स्क्रीन स्पष्ट रूप से जीत या खो राशि दर्शाया गया है.
  4. विषय खेल खेलने जब तक वे पूरी तरह से खेल के नियमों को समझने के लिए और एक आरामदायक स्तर पर प्रदर्शन करने की अनुमति दी है.

3. इन्ट्रा - ऑपरेटिव - प्रायोगिक सेटअप

  1. एक बार विषय शल्य चिकित्सा की मेज पर तैनात किया गया है, व्यवहार, डाटा अधिग्रहण और सिग्नल प्रोसेसिंग उपकरणों से युक्त रिग ऑपरेटिंग कमरे में लाया जाता है. रिग पोजीशनिंग विचार सामान्य काम प्रवाह और बाँझपन ऑपरेटिंग कमरे स्थापित करने के लिए संबंधित मुद्दों में रखना चाहिए.
  2. के रूप में इन rigs के घटकों को इकट्ठा कर रहे हैं और प्रत्येक रिकॉर्डिंग सत्र के लिए disassembled, यह महत्वपूर्ण है के लिए सभी उपकरणों कनेक्शन की जांच. इसलिए, प्रत्येक घटक के रूप में डाटा अधिग्रहण प्रणाली से जुड़ा है, एक डेटा की अखंडता की जाँच करनी चाहिए. इन प्रक्रियाओं सर्जरी में जल्दी से किया जाना चाहिए महत्वपूर्ण रिकॉर्डिंग समय के दौरान इन मुद्दों का निवारण होने से रोकने के.
    1. सबसे पहले, अधिग्रहण और सिग्नल प्रोसेसिंग उपकरणों बूट. अधिग्रहण रिग की जानकारी के लिए सिग्नल प्रोसेसिंग रिग के outputs कनेक्ट. इस अध्ययन के मामले में, हम तीन अतिरिक्त सेलुलर कार्रवाई संभावित तीन पैरा sagittally उन्मुख इलेक्ट्रोड है कि सर्जरी के दौरान विषय मस्तिष्क में उन्नत किया जाएगा करने के लिए इसी चैनल प्राप्त हो जाएगा. एम्पलीफायरों एक पर एक करने के लिए सुनिश्चित करें कि अधिग्रहण प्रणाली संकेत प्राप्त कर रही है समय पर मुड़ें.
    2. या आराम से देखने की स्थिति में एक उपयुक्त अनुकूलक का उपयोग कर तालिका मॉनिटर सुरक्षित.
    3. यदि एक इनपुट डिवाइस (जोस्टिक, बॉक्स, बटन, कीपैड, आदि) कार्यरत है, इस डिवाइस की स्थिति, मस्तिष्क की ओर से जो रिकॉर्डिंग प्राप्त हो जाएगा करने के लिए सापेक्ष laterality पर ध्यान दे. सुनिश्चित करें कि विषय के हाथ आराम इनपुट डिवाइस संचालित करने के लिए तैनात है. एस करने के लिए anesthesiologist पूछ पर विचारecure दूसरे हाथ पर नाड़ी oxygenation मॉनिटर डिवाइस के समुचित संचालन सुनिश्चित करने के लिए. इस कार्य में हम एक बटन बॉक्स का उपयोग करें.
    4. व्यवहार सिस्टम बूट और सुनिश्चित करें कि व्यवहार घटना मार्करों अधिग्रहण रिग द्वारा कब्जा कर रहे हैं किया जा रहा है.
    5. व्यवहार कार्य प्रारंभ करें और कार्य की कुछ परीक्षण खेलने के लिए विषय की अनुमति है. इस समय के दौरान, यह सुनिश्चित है कि अधिग्रहण प्रणाली बटन बॉक्स आदानों और व्यवहार व्यवहार रिग द्वारा उत्पन्न मार्करों पर कब्जा है.
    6. यदि सब कुछ कनेक्शन कार्य कर रहे हैं, व्यवहार कार्य और अधिग्रहण रिग बंद करो.

4. Subthalamic नाभिक न्यूरॉन्स के अलगाव

  1. शल्य चिकित्सा के उद्देश्य के लिए जगह पुरानी डीबीएस STN की मोटर के क्षेत्र में जाता है. यह स्थान stereotactic इमेजिंग और neuophysiological रिकॉर्डिंग का एक संयोजन के माध्यम से हासिल की है.
  2. Stereotactic योजना और शल्य चिकित्सा की प्रक्रिया ही के विवरण संस्थाओं में पाठ्यक्रम के भिन्न होगा, लेकिन सामान्य प्रक्रिया के समान है. हमारी संस्था में, stereotactic Cosman रॉबर्ट्स वेल्स फ्रेम और Fiducial पिंजरे लागू है और एक सिर सीटी स्कैन प्राप्त है. Fiducials साथ सीटी न्यूरो नेविगेशन प्रणाली पर एक पहले से प्राप्त बड़ा मस्तिष्क एमआरआई (या BrainLAB VectorVision, Feldkirchen, जर्मनी StealthStation, Medtronics, Minneapolis, MN) के साथ विलय है. लक्ष्य मस्तिष्क क्षेत्र के निर्देशांक (STN इस मामले में) फ्रेम आधारित निर्देशांक के लिए परिवर्तित कर रहे हैं. ऑपरेटिंग कमरे में, रोगी को आराम से एक अर्द्ध reclined स्थिति में तैनात है, और prepped और मानक सर्जिकल तकनीक का उपयोग लिपटी. बाईं STN के निर्देशांक फ्रेम, जो रोगी पर तैनात है में क्रमादेशित रहे हैं. त्वचा और छिन्न है मुकर. गड़गड़ाहट छेद कर रहे हैं रखा है, और एक छोटे dural खोलने बनाया. Cannulae एक Microdrive से जुड़ी स्थिति में लाया जाता है और उन्नत cannulae की नोक तक लक्ष्य से अधिक 25 मिमी हैं.
  3. एक बार cannulae मस्तिष्क में उन्नत कर रहे हैं, आंतरिक stylets को हटा रहे हैं और उच्च प्रतिबाधा (0.3 - 1 मेगा - ओम) के साथ प्रतिस्थापित microelectrodes (fhc, Bowdoin, ME). पूर्व एम्पलीफायरों संकेत प्रसंस्करण है रिग प्रत्येक इलेक्ट्रोड से जुड़े हैं और अंतर संदर्भ बाहरी प्रवेशनी चैनल से जुड़ा है.
  4. संकेत प्रसंस्करण रिग में एम्पलीफायरों पर बदल रहे हैं और अतिरिक्त सेलुलर संकेत मूल्यांकन किया है. इसके अलावा, प्रत्येक इलेक्ट्रोड के लिए प्रतिबाधा मस्तिष्क में आगे अग्रिम पहले की जाँच की है.
  5. सर्जन इलेक्ट्रोड धीरे मस्तिष्क में अग्रिम (.05-.4 मिमी कदम). इलेक्ट्रोड STN की ओर गणना लक्ष्य से 25mm शुरू उन्नत कर रहे हैं. पूंछवाला नाभिक, thalamus, zona inserta, के माध्यम से गुजर रहा है और अंत में STN में इलेक्ट्रोड में यह प्रक्षेपवक्र परिणाम है.
  6. एक बार इलेक्ट्रोड STN में प्रवेश किया है, physiologist कि neuronal संकेत उत्तरदायी मोटर स्थापित करने का एक साधन के रूप में रोगी contralateral अंग manipulates. जब सर्जन और experimenter 'इलेक्ट्रोड की स्थिति से संतुष्ट हैं, व्यवहार कार्य शुरू किया जा सकता है.

5. डाटा अधिग्रहण

  1. व्यवहार कार्य शुरू करने से पहले, यह महत्वपूर्ण है microelectrodes की गहराई और पृथक न्यूरॉन (ओं) की मोटर जवाबदेही दस्तावेज़.
  2. विषय तो निर्देश दिए है कि कार्य शुरू हो जाएगा. सुनिश्चित करें कि बटन बॉक्स अभी भी आराम से तैनात है और मॉनिटर पूरी तरह से दिखाई कि.
  3. प्रारंभ डाटा अधिग्रहण और कम से कम 1 व्यवहार कार्य शुरू करने से पहले मिनट के लिए आधारभूत गतिविधि अधिग्रहण.
  4. के रूप में विषय काम करता है यह महत्वपूर्ण है पर कब्जा कर लिया डेटा की निगरानी. अधिग्रहण में किसी भी व्यवधान के साथ, कार्य और बंद कर दिया जाना चाहिए समस्या को सुधारा है.
  5. वर्तमान अध्ययन में, विषय के लिए प्रत्येक STN गहराई के लिए 120 परीक्षण करने के लिए कहा है.
  6. कार्य STN में प्रत्येक गहराई के लिए कई बार प्रदर्शन कर सकते हैं, तथापि, वहाँ इन अंतर ऑपरेटिव अध्ययन (चर्चा में आगे बताया गया है) की अवधि के लिए सीमाएं हैं. हम प्रयोगात्मक रिकॉर्डिंग के 30 मिनट के लिए समय के मरीज की परेशानी और सर्जरी के अनुचित मोहलत को रोकने के सीमा. इसके अलावा, इस विषय के लिए किसी भी समय आगे रिकॉर्डिंग अस्वीकार करते हैं, जो मामले में व्यवहार कार्य बंद कर दिया और सर्जरी शुरू करने का अवसर है.
  7. एक बार अध्ययन पूरा हो गया है, डेटा समर्थित है और बाद के विश्लेषण के लिए संग्रहीत.

6. डेटा विश्लेषण

  1. सबसे पहले, neuronal संकेतों व्यक्तिगत स्पाइक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध सॉफ्टवेयर का उपयोग timestamps में भेदभाव कर रहे हैं.
  2. व्यवहार कार्य कोड तो पार्स कर रहे हैं और neuronal गतिविधि timestamps Matlab में पटकथा कोड का उपयोग कर जुड़ रहे हैं.

प्रतिनिधि परिणाम:

चित्रा 1 में एक एकल STN न्यूरॉन से प्रतिनिधि परिणामों के ऊपर वर्णित युद्ध खेल के दौरान दर्ज दर्शाया गया है. टीसेशन पैनल कार्य में चार behaviorally प्रासंगिक epochs पर केन्द्रित rasters चित्रित: निर्धारण अवधि से पहले प्रत्येक परीक्षण करने के लिए, विषय के कार्ड की प्रस्तुति, बटन प्रेस संकेत विषय दांव, और कंप्यूटर के कार्ड की प्रस्तुति. नीचे पैनलों (50 एमएस डिब्बे) binned पेरी उत्तेजना समय histograms (PSTHs) का प्रतिनिधित्व करते हैं. इस न्यूरॉन robustly विषय कार्ड की प्रस्तुति के लिए जवाब नहीं करता है, लेकिन इसके फायरिंग पुश बटन के आसपास काफी बढ़ जाती है. इस गतिविधि रहता है जब तक कंप्यूटर के कार्ड से पता चला है, पर जो बात फायरिंग आधारभूत स्तर घट जाती है.

चित्रा 1
चित्रा 1. STN प्रतिनिधि न्यूरॉन. Rasters (शीर्ष पैनल) और पेरी उत्तेजना समय histograms (PSTHs) behaviorally प्रासंगिक epochs पर केंद्रित कर रहे हैं एक प्रतिनिधि एकल STN न्यूरॉन के लिए दिखाया गया है. इस न्यूरॉन फायरिंग बटन संकेत विषय दांव है धक्का के समय के आसपास काफी बढ़ जाती है.

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Discussion

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डीप ब्रेन उसकाव सर्जरी करने के लिए एक मूल्यवान मानव मस्तिष्क में व्यक्तिगत न्यूरॉन्स की गतिविधियों की जांच करने का अवसर प्रदान करता है. इस अवसर पर तारीख करने के लिए कई विवरणात्मक अध्ययन की अनुमति दी है कि अलग गहरी नाभिक गतिविधियों विशेषताएँ. हाल ही में, अंतर ऑपरेटिव कार्य और अधिक परिष्कृत हो गए हैं क्रम में करने के लिए व्यवहार और अनुभूति के विभिन्न पहलुओं का पता है. वर्तमान प्रोटोकॉल के इरादे सफल अंतर ऑपरेटिव व्यवहार कार्यों को लागू करने के लिए एक मार्गदर्शन प्रदान करना है. पाठ्यक्रम के कार्य और अध्ययन के उद्देश्य के लक्ष्यों को शल्य चिकित्सा के लिए लक्षित नाभिक के आधार पर भिन्न होगी. डीबीएस सर्जरी और तदनुसार लक्ष्य की बढ़ती विविधता के लिए आवेदन की बढ़ती संख्या को देखते हुए, हम व्यक्तिगत न्यूरॉन्स के स्तर पर मानव मस्तिष्क समारोह का अध्ययन करने के लिए तेजी से बढ़ते अवसरों की उम्मीद है.

वहाँ कारकों और महत्वपूर्ण कदम है कि विचार किया जाना चाहिए जब एक अंतर ऑपरेटिव अध्ययन को लागू करने के एक नंबर रहे हैं. अग्रणी, इन अध्ययनों के लिए काफी समय सीमाएं हैं, जो व्यवहार परीक्षणों कि प्रत्येक विषय के लिए इकट्ठा किया जा सकता है की एक सीमित संख्या में परिणाम है. इसलिए, जब एक कार्य डिजाइनिंग, एक सोच समझकर कार्य में शर्तों की संख्या को सीमित करने के लिए पर्याप्त सांख्यिकीय शक्ति सुनिश्चित करने के लिए एक प्रभाव को देखने चाहिए. इस सीमा पार करने के तरीके के एक नंबर रहे हैं. एक परीक्षण हालत क्रमपरिवर्तन की संख्या को कम करने की कोशिश कर सकते हैं, परीक्षण अनुक्रम की जटिलता को सरल, और / या बस और अधिक डेटा इकट्ठा. एक दूसरे इन अध्ययनों के लिए पर्याप्त सीमा neurophysiological डेटा की गुणवत्ता है. क्योंकि एकल इकाई अलगाव ऑपरेटिंग कमरे सेटिंग में किया जाता है और प्रयोगशाला, स्थिर उच्च संकेत से शोर अनुपात रिकॉर्डिंग नहीं मुश्किल से हासिल कर रहे हैं. यदि neuronal संकेत के गुणवत्ता में एक व्यवहार सत्र में जल्दी कम हो जाती है, यह सिफारिश की है कि एक काम करो और नए न्यूरॉन्स अलग. एक अंतिम, महत्वपूर्ण कदम रोगी पर्याप्त समय व्यवहार कार्य मास्टर करने के लिए अनुमति है. यदि इस कदम की अनदेखी की है, एकत्र आंकड़ों की संभावना सबसे अधिक सीखने के प्रभाव से चकित हो जाएगा. इसलिए, पूर्व ऑपरेटिव अवधि का उपयोग करने के लिए सुनिश्चित करें कि इस विषय में प्रशिक्षित किया जाता है और पूरी तरह से कार्य समझता है.

इन्ट्रा - ऑपरेटिव अध्ययन मानव मस्तिष्क और विकृति विज्ञान को समझने के लिए एक सही मायने में अनूठा अवसर प्रदान करते हैं. हालांकि, इन प्रयोगों में एक ऑपरेटिंग कमरे की गतिशील परिस्थितियों में होते हैं और इसलिए अच्छी तरह से एक अनुसंधान प्रयोगशाला के नियंत्रित वातावरण में आम तौर पर नहीं देखा जटिलताओं के अधीन हैं.

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Disclosures

ब्याज की कोई संघर्ष की घोषणा की.

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).
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  5. Zaghloul, K. A. Human substantia nigra neurons encode unexpected financial rewards. Science. 323, (5920), 1496-1496 (2009).
जाग डीप ब्रेन उसकाव सर्जरी के दौर से गुजर मनुष्य में अंतर ऑपरेटिव व्यवहार कार्य
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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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