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Medicine

脳深部刺激術を受けた覚醒ヒトにおける術中行動作業

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

Summary

脳深部刺激の手術は目を覚まし、人間の脳内の情報の符号化を検討するユニークな機会を提供しています。この記事では、同時にそのようなEMG、シングルユニット神経活動および/または局所電場電位などの生理学的データを取得しながら認知と行動のタスクを実行するために使用される術中の方法を説明します。

Abstract

脳深部刺激(DBS)は、埋め込み電極を介して脳内の特定のターゲットへの慢性的な、高頻度電気刺激を指示する手術です。脳深部電気刺激は、最初Benabid の治療法として実装されていました。1980年代後半に、彼は振戦1の治療のための視床中間腹側核を刺激するためにこのテクニックを使用した場合。現在のところ、プロシージャは、パーキンソン病、ジストニア、および本態性振戦などの疾患のために医学的管理に適切に応答しなかった患者を治療するために使用されます。パーキンソン病の治療のため、この手順の有効性はよく駆動、無作為化対照試験2で実証されている。現在、米国食品医薬品局(FDA)は、医学的に難治性の本態性振戦、パーキンソン病、およびジストニア患者に対する治療として、DBSを承認した。さらに、DBSは現在、強迫性障害、大うつ病性障害、および癲癇のような他の精神神経疾患の治療のために評価されている。

DBSは、唯一の生活の質を改善することにより、人々を助けることが示されていない、それはまた人間の脳を研究し、理解するためにユニークな機会を研究者に提供します。微小電極記録は日常的に解剖学的ターゲティングの精度を高めるためにDBSの手術中に実行されます。被験者が行動のタスクを実行している間、個々のニューロンの発火パターンは、したがって、記録することができます。焼成とバースト率、および周波数変調3を含む記述的な側面に焦点を当て、これらのデータを使用して初期の研究。最近の研究では、4,5神経活動との関係における行動の認知的側面 ​​に焦点を当てている。この記事では、行動のタスクを実行し、DBSケースの間に目を覚まし患者に神経データを記録するために使用される術中の方法の説明を提供します。電気生理学的データの取得プロセスの私達の博覧会は、現在のスコープと術中人体実験の限界を点灯します。

Protocol

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1。被験者の募集と同意

  1. 彼/彼女が術中試験(治験審査で定義された基準を満たしている場合、視床下核(STN)難治性のパーキンソン病のための脳深部刺激(DBS)のための臨床評価との同意に続いて、各患者の情報を決定するために検討され理事会は)マサチューセッツ総合病院のプロトコルを承認した。
  2. それは対象者が調査基準を満たしていると判断された場合、研究グループの医師のメンバー(ではないオペレーティング外科医)は、研究への参加の可能性を議論するために患者に近づく。
  3. 研究に参加するための同意書は、日と対象に説明されています。重要なことは、研究の説明は、研究への参加は自発的であり、どの時点でも彼/彼女が参加から撤退するオプションを持っていることを強調している。また、それはその後の研究に参加するか、または撤回する彼らの議論は、彼/彼女が受け取る医療に影響がないことを強調されている。
  4. それは被験者が理解し、研究に参加することに同意するものと判断された場合、彼/彼女は承認されたインフォームドコンセントに署名し、試験に登録されています。

2。行動訓練とリグのセットアップ

  1. パーキンソン病のためのDBSの手術の一環として、被験者は、手術前日に入院している。したがって、これは行動課題で被験者を訓練する機会を提供しています。それは主題が"学習効果"困惑を(議論を参照してください)​​削除し、タスクを実行し、そのルールと快適性を開発するために学ぶことができる期間を提供するので、このトレーニングは不可欠です。
  2. ポータブル行動リグは、手術前の夜に対象者の病室に持って来られる。
  3. このリグは、被験者が術中試験の日に実行するために必要な正確な同じ行動課題を装備しています。
    1. この例では、主題は"戦争"のゲームに似たカードゲームをプレイするように求められます。このゲームでは、被験者は自分のカードがコンピュータに比べて高いかどうかの(どちらか$ 20または$ 5)賭けに必要です。このタスクの目的は、アッセイにSTNの神経符号化に関する報酬とリスクの役割です。主題を奨励するために、それらが彼らの賞金の割合が支払われると言われて。
    2. 潜在的な組み合わせ(と、その結果混乱させる)を低下させる手段として、単一の訴訟の唯一の偶数番号のカードは(例えば2、4、6、8、スペードの10)が使用されます。このように、タスクの潜在的な結果や期待は簡単に計算し、分析することができます。
    3. 各試験では、被験者は最初にランダムに配らカード、および未知のコンピュータのカードの裏を描いた画面を見ている。画面には、2つの賭けのオプション、5ドルから20を示す。彼/彼女のカードの相対的な強さに基づいて、被験者は画面が彼/彼女のカードと明らかにコンピュータのカードを表示した後、ボタンを押すだけで賭け金を示している。最後の画面では、明示的に勝敗量を示しています。
  4. 被験者は、彼らは完全にゲームのルールを理解し、快適なレベルで実行されるまでゲームをプレイするために許可されています。

3。術中 - 実験のセットアップ

  1. 被験者が手術台上に配置されると、行動、データ収集と信号処理装置を含むリグは手術室に持ち込まれている。リグの位置は、手術室の設定に関連して考慮し、通常の作業の流れと不妊の問題を考慮しなければなりません。
  2. これらのリグの部品が組み立てられ、それぞれのレコーディングセッションのために分解されているとして、それはすべての機器の接続を確認することが重要です。各コンポーネントは、データ収集システムに接続されているしたがって、1つはデータの整合性を確認する必要があります。これらの手順は、重要な録音時にこれらの問題を解決することを防ぐために早期の手術で行われる必要があります。
    1. 最初に、取得と信号処理装置を起動する。買収のリグの入力に信号処理のリグの出力を接続してください。本研究の場合には、我々は手術中に被験者の脳に進出される3つのパラsagittally指向の電極に対応する三つの細胞外活動電位のチャネルを買収する。収集システムが信号を取得していることを確認する時にアンプの1つをオンにします。
    2. 適切なアダプタを使用して、見やすい位置でORテーブルにモニターを固定します。
    3. 入力デバイス(ジョイスティック、ボタンボックス、キーパッド、等)採用されている場合は、記録が得られる元となる脳の側に相対的な左右差に着目し、このデバイスを配置します。被験者の手を快適に入力デバイスを操作するために配置されていることを確認します。 sに麻酔科医を求めることを検討デバイスの正しい動作を保証する一方、パルス酸素代謝モニターをecure。このタスクでは、ボタンボックスを使用してください。
    4. 行動システムを起動し、行動イベントマーカーを取得リグによって取得されていることを確認してください。
    5. 行動のタスクを起動し、被験者がタスクのいくつかの臨床試験を再生することができます。この時間の間に、収集システムは、ボタンボックスの入力と行動のリグによって生成された行動のマーカーをキャプチャしていることを確認してください。
    6. すべての接続が機能している場合、行動課題と買収のリグを停止します。

4。視床下核の神経細胞の分離

  1. 手術の目的は、慢性的なDBSは、STNのモーター領域に導く配置することです。この配置は、定位的イメージングとneuophysiological録音の組み合わせによって達成される。
  2. 定位の計画と手術自体の詳細はもちろん、金融機関によって異なるでしょうが、一般的なプロセスは同様です。我々の施設で、コズマン-ロバーツ - ウェルズの定位フレームと基準ケージが適用され、頭部CTスキャンが得られる。フィデューシャルとCTは、以前に得られた体積脳神経ナビゲーションシステム上でMRI(;またはBrainLab VectorVision、Feldkirchenの、ドイツStealthStation、Medtronics、ミネアポリス、ミネソタ州)にマージされます。ターゲットの脳の領域の座標は(この場合はSTN)フレームベースの座標に変換されます。手術室では、患者は半リクライニングポジションで快適に位置づけ、および整形処理と標準的な外科的手法を用いて掛けている。左STNの座標は、患者の上に位置しているフレーム、中にプログラムされています。皮膚を切開し、収納されます。バリ穴が配置され、小さな硬膜開口部が作成されます。マイクロドライブに接続されたカニューレを所定の位置に持って来、カニューレの先端がターゲット上に25ミリメートルになるまで進めています。
  3. 微小電極(FHC、ボードン、ME) - カニューレを脳内に進出されると、内部のスタイレットは、ハイインピーダンス(1メガオーム0.3)で削除と置き換えられます。信号処理のリグのプリアンプは、各電極に接続され、差動の基準チャネルは、外側のカニューレに接続されています。
  4. 信号処理のリグではアンプの電源がオンになっていると細胞外信号が評価されている。さらに、各電極のインピーダンスは、脳にさらに進む前にチェックされます。
  5. 脳内へ徐々に外科医は、進歩の電極を(0.05〜0.4ミリメートルのステップ)。電極は、STNに向かって計算されたターゲットから25mmを開始進めています。尾状核、視床、帯insertaを通して、そして最終的にはSTNに渡す電極のこの軌跡は結果。
  6. 電極はSTNを入力したら、生理学、神経細胞の信号は、モータから応答があるかどうかを確立する手段として、患者の対側肢を操作します。外科医と実験者は電極の位置に問題がなければ、行動タスクを開始することができます。

5。データ収集

  1. 行動のタスクを開始する前に、それが微小電極の深さと単離ニューロン(s)のモーターの応答性を文書化することが重要です。
  2. 被験者は、その後、タスクが開始されることが指示されます。ボタンボックスがまだ快適に配置し、モニター完全に表示されていることを確認してください。
  3. データ収集を開始し、行動タスクを開始する前に少なくとも1分間、ベースラインのアクティビティを取得する。
  4. 被験者がタスクを実行するとして、それは、キャプチャされたデータを監視することが重要です。買収を中断させることで、タスクが停止し、問題が是正されるべきである。
  5. 現在の研究では、被験者は各STNの深さを120試験を実行するように求められます。
  6. タスクは、STNの各深さのために複数回行うことができますが、これらの術中研究の期間(議論で詳細に説明)には制限があります。私たちは、患者の不快感や手術の過度の延長を防ぐために、30分に実験的な録音時間を制限する。また、被験者が行動のタスクを停止し、手術が再開されている場合には、いつでも、さらに録音を拒否する機会を持っています。
  7. 調査が完了すると、データをバックアップし、その後の分析のためにアーカイブされます。

6。データ解析

  1. 最初に、神経の信号は市販のソフトウェアを使用して、個々のスパイクのタイムスタンプに区別されています。
  2. 行動課題コードが解析され、神経活動のタイムスタンプは、Matlabのスクリプトコードを使用して整列されます。

代表的な結果:

図1は、前述の戦争のゲーム中に記録された単一のSTNニューロンから代表的な結果を示しています。トンオペアンプのパネルは、タスクの4つの行動の関連エポックを中心にラスタを表しています:前に、各トライアルの固定期間、対象者のカードの提示は、主題を示すボタンを押すと、賭け、そしてコンピュータのカードの提示です。下のパネルには、周囲の刺激時間のヒストグラム(PSTHs)(50ミリ秒のビン)ビンを表します。このニューロンは、対象のカードの提示に確実に応答しませんが、その発射は、ボタンプッシュの周りに大幅に増加します。コンピュータのカードは、ポイントの発火がベースラインレベルに減少する時、明らかにされるまで、この活動は続きます。

図1
図1。代表的なSTNニューロン。ラスタ(上部パネル)と行動の関連エポックを中心に周囲の刺激時間のヒストグラム(PSTHs)は代表的な単一のSTNニューロンのために描かれています。このニューロンの発火は、対象の賭けを示すボタン押しの時間のまわり大幅に増加します。

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Discussion

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脳深部刺激の手術は、人間の脳内の個々のニューロンの活動を調べるために貴重な機会を提供しています。この機会を現在までにさまざまな深い核の活動を特徴づける多数の記述研究を許可しています。最近では、術中のタスクが動作し、認知のさまざまな側面に対処するために、より巧妙化して。現在のプロトコルの意図は成功した術中行動タスクを実装するためのガイドを提供することです。タスクと研究の目的の目的は、もちろん手術の対象となる核によって異なります。 DBSの手術のためのアプリケーションとターゲットの対応種類の増加の増加を考えると、我々は個々のニューロンのレベルで人間の脳機能を研究するための急成長機会を期待しています。

要因と術中の研究を実施する際に考慮する必要がある重要なステップがいくつかあります。何よりも、かなりの時間制限は、各被験者のために収集することができる行動の臨床試験の限られた数の結果これらの研究、にあります。したがって、タスクを設計するとき、人は思慮深く効果を確認するのに十分な統計的検出力を確保するためのタスク内の条件の数を制限する必要があります。この限界を克服する方法はたくさんあり​​ます。一つは、試験条件の順列の数を減らす試験シーケンスの複雑さを簡素化、および/または単により多くのデータを収集しようとすることができます。これらの研究の2番目の実質的な制限は、神経生理学的データの品質です。シングルユニットの単離は手術室の設定ではなく、実験室で行われるため、安定した高い信号対雑音比の記録は達成するの​​は困難です。神経信号の品質が早期行動のセッション内減少した場合は、それは1つのタスクを停止し、新しい神経細胞を分離することをお勧めします。最後の、重要なステップは、行動課題を習得するために患者に十分な時間を認めている。この手順は見過ごされている場合、収集されたデータは、最も可能性の高い学習効果が交絡されます。したがって、被験者が訓練を受け、完全にタスクを理解していることを確認するために術前の期間を利用しています。

術中の研究は、人間の脳と病理を理解するためにユニークな機会を提供しています。しかし、これらの実験は、手術室の動的な条件で発生するため、通常は研究室のよく制御された環境では見られない合併症の対象となります。

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Disclosures

利害の衝突は宣言されません。

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).
脳深部刺激術を受けた覚醒ヒトにおける術中行動作業
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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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