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Medicine

딥 뇌 자극 수술을받은 깨어 인간 내부 수술 행동 작업

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

Summary

깊은 뇌 자극 수술은 깨어있는 인간의 두뇌에 정보를 인코딩을 검사하는 독특한 기회를 제공합니다. 이 문서는 동시에 같은 EMG, 단일 유닛의 연결 활동 및 / 또는 지역 필드 잠재력으로 생리 데이터를 수집하면서인지 및 행동 작업을 수행하는 데 사용되는 내부 수술 방법을 설명합니다.

Abstract

깊은 뇌 자극 (DBS)은 이식 전극을 통해 두뇌의 특정 목표에 만성, 고주파 전기 자극을 이끌고 수술입니다. 깊은 두뇌 자극 처음 Benabid 의해 치료 양상으로 구현되었습니다. 1980 년대 말에, 그가 진동 1의 치료에 대한 시상의 복부 중간 핵을 자극하기 위해이 기술을 사용할 때. 현재 프로 시저 같은 파킨슨병, dystonia, 그리고 필수적인 떨림과 같은 질병에 대한 의료 관리에 적절하게 대응하지 못할 환자를 치료하는 데 사용됩니다. 파킨슨병의 치료에 대해이 절차의 효능은 잘 구동, 무작위 통제 실험 2에서 증명되었습니다. 현재, 미국 식품 의약청 의학 내화물 필수 떨림, 파킨슨병, 그리고 dystonia 환자에 대한 치료로 DBS을 승인했습니다. 또한, DBS는 현재와 같은 강박 장애, 주요 우울증 장애 및 간질과 같은 다른 정신 및 신경 장애의 치료를위한 평가되고 있습니다.

DBS은 삶의 질을 개선하여 사람들을 돕기 위해 표시되지 않은, 그것은 또한 인간의 두뇌를 연구하고 이해하는 독특한 기회 연구자를 제공합니다. Microelectrode 레코딩은 일상적으로 해부 학적 타겟팅의 정밀도를 향상시키기 위해 DBS 수술하는 동안 수행됩니다. 피사체가 행동 작업을 수행하는 동안 개별 뉴런의 발사 패턴 따라서 기록하실 수 있습니다. 설명 해고 버스트 속도를 포함한 부분, 그리고 주파수 변조 3 초점을 맞춘 이러한 데이터를 사용하여 초기 연구. 최근 연구는 4,5의 연결 활동과 관련하여 행동의 인지적 측면에 초점을 맞추고있다. 이 문서는 행동 작업을 수행하고 DBS 케이스 기간 동안 깨어있는 환자의 연결 데이터를 기록하는 데 사용되는 내부 수술 방법에 대한 설명을 제공합니다. electrophysiological 데이터를 수집하는 과정 우리의 박람회는 현재 범위와 내부 수술 인간 실험의 한계를 밝게합니다.

Protocol

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1. 제목 채용 동의

  1. 그 / 그녀가 내부 수술 연구 (기관 검토에 정의된 기준을 충족하는 경우 시상 하부 핵 (STN) 내화물 파킨슨 질환에 대한 깊은 뇌 자극 (DBS)에 대한 임상 평가 및 동의에 따라 각 환자의 정보를 결정하기 위해 검토 위원회)는 매사 추세츠 종합 병원에서 프로토콜을 승인했습니다.
  2. 그것은 피사체가 연구 기준을 충족 결정하는 경우, 연구 그룹의 의사 회원 (가 아닌 운영 외과)은 연구에 참여 가능성을 논의하기 위해 환자를 접근한다.
  3. 연구에 참여에 대한 동의서 그런 다음 검토 및 주제 설명합니다. 중요한 것은 연구의 설명이 연구에 참여 자발적이고 어떤 시점에서 그 / 그녀가 참여에서 철수하는 옵션을 가지고 강조합니다. 또한, 그것은 다음에 참여하거나 연구에 철회들의 토론이 의료 그 / 그녀가 받게 될 것입니다에 아무런 영향을 미치지 않습니다 것을 강조합니다.
  4. 그것은 피사체가 이해하고 연구에 참여하는 동의 결정하는 경우, 그 / 그녀는 승인 정보를 동의를 표적과 연구에 등록됩니다.

2. 행동 교육 및 릭 설정

  1. 파킨슨 질환에 대한 DBS 수술의 일환으로, 과목은 수술을하기 전에 어느 날 병원에 입원하고 있습니다. 따라서, 이것은 행동 작업에 대한 주제를 훈련 기회를 제공합니다. 그것이 "학습 효과"confounds을 (토론 참조) 제거, 피사체가 작업을 수행하기 위해 배우와 규칙을 편안하게 개발할 수있는 동안 기간을 제공하는 본 교육은 필수적입니다.
  2. 휴대용 행동 장비는 수술을하기 전에 밤 주제의 병원 객실로 이동합니다.
  3. 이 장비는 피사체가 내부 수술 연구의 하루에 수행하는 데 필요한 동일한 행동 과제를 갖추고 있습니다.
    1. 이 예제에서는 제목은 "전쟁"의 게임과 비슷한 카드 게임을하도록 요청합니다. 이 게임에서는, 주제는 자신의 카드가 컴퓨터의보다 높은 여부로 (중 20달러 또는 $ 5) 베팅해야합니다. 이 작업의 목적은 분석에 STN에의 연결을 인코딩에 대한 보상 및 위험의 역할입니다. 제목을 incentivize하기 위하여 그들은 그들이 그들의 승리 비율을 지급됩니다 그렇게 말했 있습니다.
    2. 잠재적인 조합 (그리고 결과 confounds)을 줄이는 수단으로, 하나의 소송만이 짝수 카드 (예 : 2, 4, 6, 8, 스페이드 10) 사용됩니다. 따라서, 작업의 잠재력 결과와 기대는 쉽게 계산하고 분석할 수 있습니다.
    3. 각 재판에서, 주제는 먼저 자신의 임의로 처리 카드, 미지의 컴퓨터의 카드 뒷면을 묘사한 화면을 봅니다. 화면은 다음 두 $ 5와 $ 20, 옵션을 내기 보여줍니다. 그 / 그녀의 카드의 상대적인 강도에 따라 피사체가 화면이 그 / 그녀의 카드와 공개 컴퓨터의 카드를 보여주 후 버튼을 눌러와 내기를 나타냅니다. 최종 화면이 명시적으로 는데요 금액을 묘사.
  4. 주제들은 완전히 게임의 규칙을 이해하고 편안한 수준에서 수행할 때까지 게임을 허용합니다.

3. 인트라 수술 - 실험 설정

  1. 일단 제목이 수술 테이블에 위치하고 있으며, 행동​​, 데이터 수집 및 신호 처리 장비를 포함한 장비가 수술실로 데려입니다. 릭 위치는 고려 정상적인 작업 흐름과 수술실 설정에 관한 불임 문제를 고려합니다.
  2. 이러한 rigs의 구성 요소가 조립하고 각 레코딩 세션에 대해 해체 있으므로, 그것은 모든 장비의 연결을 확인하는 것이 매우 중요합니다. 각 구성 요소가 데이터 수집 시스템에 연결되어로 따라서, 하나는 데이터의 무결성을 검사해야합니다. 이러한 절차는 중요 녹화 시간 동안 이러한 문제를 해결하는 데 방지하기 위해 조기 수술이 이루어져야합니다.
    1. 첫째, 인수 및 신호 처리 장비를 부팅하십시오. 수집 장비의 입력에 신호 처리 장비의 출력을 연결합니다. 본 연구의 경우, 우리는 수술하는 동안 대상의 두뇌에 고급 것입니다 세 파라 sagittally 중심 전극에 대응하는 세 엑스트라 세포 액션 잠재력 채널을 습득합니다. 수집 시스템은 신호를 인수하도록 한 번에 증폭기의 하나를 켭니다.
    2. 적절한 어댑터를 사용하여 편안하게 볼 수있는 위치에 또는 테이블에 모니터를 고정합니다.
    3. 입력 장치 (조이스틱 버튼 상자, 키패드 등) 고용 경우, 녹음이 얻을 수있는 두뇌의 측면에 상대적 laterality에주​​의를 기울이고,이 장치를 위치. 제목의 손을 편안하게 입력 장치를 작동 위치 있는지 확인하십시오. S로 마취를 요청해보십시오장치의 올바른 작동을 보장하기 위해 반면에 펄스 산소 모니터를 ecure. 이 작업에서 우리는 단추 상자를 사용합니다.
    4. 행동 시스템을 부팅하고 행동 이벤트 마커가 수집 장비에 의해 캡처되고 있는지 확인합니다.
    5. 행동 작업을 시작하고 피사체가 작업의 몇 가지 실험을 재생할 수 있습니다. 이 시간 동안 수집 시스템이 버튼을 상자에 입력하고 행동 장비에 의해 생성되는 행동 마커를 캡처되었는지 확인합니다.
    6. 모든 연결이 작동하는 경우, 행동 작업 및 수집 장비를 중지합니다.

4. 시상 하부 핵의 뉴런의 분리

  1. 수술의 목적은 만성 DBS는 STN의 모터 지역으로 이어지는 곳으로하고 있습니다. 이 배치는 stereotactic 이미징 및 neuophysiological 녹음의 결합을 통해 이루어진다.
  2. stereotactic 계획과 수술 자체의 내용은 물론 기관에 걸쳐 다양하지만 일반적인 과정은 비슷합니다. 우리 기관에서, 코스먼 - 로버츠 - 웰스 stereotactic 프레임과 fiducial 케이지가 적용 머리 CT 촬영이 얻어진다. fiducials와 중부 표준시는 이전에 얻은 체적 두뇌 신경 네비게이션 시스템에서 MRI (; 또는 BrainLab VectorVision, Feldkirchen, 독일 StealthStation, Medtronics, 미네 아 폴리스, MN)와 병합됩니다. 대상 뇌 영역의 좌표는 (이 경우에는 STN) 프레임 기반의 좌표로 변환됩니다. 수술실에서 환자는 반 reclined 위치에 편안하게 위치하고, 준비 및 표준 수술 기법을 사용 draped 있습니다. 왼쪽 STN의 좌표는 환자에 위치하는 프레임으로 프로그램입니다. 피부는 베인 및 철회합니다. 버 구멍이 배치하고, 작은 듀럴 자리가 만들어집니다. microdrive에 연결된 캐뉼러 위치로 데려와 캐뉼러의 끝 타겟 위 25mm까지 고급 있습니다.
  3. 캐뉼러이 두뇌에 고급되면, 내부 stylets이 제거되고 높은 임피던스 (0.3-1 메가 옴)로 변경이됩니다 microelectrodes (FHC, 보든, ME). 신호 처리 장비의 사전 증폭기는 각 전극에 연결되고 차동 레퍼런스 채널 바깥 정맥에 연결되어 있습니다.
  4. 신호 처리 장비에 앰프가 켜져 있으며 추가 - 세포 신호가 평가됩니다. 또한, 각 전극에 대한 임피던스는 두뇌에 더 발전하기 전에 검사합니다.
  5. 두뇌에 천천히 의사는 진보 전극을 (0.05-0.4 mm 단계). 전극은 STN으로 계산 대상에서 25mm를 시작 고급 있습니다. 꼬리가있는 핵, 시상, 조나 inserta를 통해 마지막으로 STN에 통과 전극이 궤도가 발생합니다.
  6. 전극은 STN를 입력하면, 생리학은의 연결 신호 응답 모터 여부를 설정하는 수단으로 환자의 contralateral 팔다리를 조작합니다. 외과 의사와 실험자이 전극 '위치에 만족하는 경우, 행동 작업이 시작할 수 있습니다.

5. 데이터 수집

  1. 행동 작업을 시작하기 전에, 그것은 microelectrodes의 깊이와 격리 신경 세포 (S)의 모터 응답을 문서화하는 것이 중요합니다.
  2. 주제는 다음 작업이 시작됩니다 지시합니다. 버튼 상자가 여전히 편안하게 위치하고 모니터 완전히 볼 수있다는 것을 확인하십시오.
  3. 데이터 수집을 시작하고 행동 작업을 시작하기 전에 적어도 1 분 기본 활동을 습득.
  4. 피사체가 작업을 수행으로 그것은 캡처된 데이터를 모니터하는 것이 중요합니다. 인수의 중단과 함께, 작업을 중단하고 문제가 정류되어야합니다.
  5. 현재 연구에서, 대상은 각 STN 깊이 120 재판을 수행하도록 요청합니다.
  6. 작업은 STN의 각 깊이에 대해 여러 번 수행할 수 있지만 제한이 내부 수술 연구 (토론에서 추가 설명)의 기간에 있습니다. 우리는 환자의 불편과 수술의 부당한 연장을 방지하기 위해 30 분 실험 녹화 시간을 제한하고 있습니다. 또한, 주제는 행동 작업이 중지되고 수술 다시 시작되는 경우에는 언제든지 추가로 녹음을 거부할 수있는 기회가 있습니다.
  7. 연구가 완료되면, 데이터가 백업된 이후 분석을 위해 보관됩니다.

6. 데이터 분석

  1. 첫째,의 연결 신호는 상용 소프트웨어를 사용하여 개별 스파이크 타임 스탬프로 차별하고 있습니다.
  2. 행동 작업 코드는 다음 해석되며,의 연결 활동 시간 기록은 Matlab의 스크립트 코드를 사용하여 정렬됩니다.

대표 결과 :

그림 1은 위에서 설명한 전쟁 게임 중에 기록된 하나의 STN 신경 세포의 대표 결과를 묘사. t조합 패널은 작업 네 개의 behaviorally 관련 epochs 중심 rasters를 묘사 : 전에 각각의 재판을 고정 기간, 대상의 카드의 프레 젠 테이션은 제목을 나타내는 버튼을 눌러 내기 및 컴퓨터의 카드의 프리젠 테이션. 하단 패널은 페리 - 자극 시간 histograms (PSTHs) (50 석사 용기) binned을 나타냅니다. 이 신경 세포는 주제의 카드를 제시 견고하게 응답하지 않지만, 그 해고는 버튼을 누르면 주변에 상당히 증가합니다. 컴퓨터의 카드가 포인트 발사는 기본 수준으로 감소되는, 발표 때까지이 활동은 지속.

그림 1
그림 1. 대표 STN 신경 세포. Rasters (상단 패널)와 페리 - 자극 시간 histograms (PSTHs)는 대표적인 단일 STN 신경 세포에 대한 그려져 아르 behaviorally 관련 epochs를 중심으로. 이 신경 세포의 해고는 피사체가 베팅의 표시 버튼을 누르면 당시 주위에 크게 증가한다.

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Discussion

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깊은 뇌 자극 수술은 인간의 두뇌에 개별 뉴런의 활동을 검토하는 귀중한 기회를 제공합니다. 이 기회를 날짜하려면 다른 깊은 핵의 활동을 특징 짓는 여러 가지 설명이 연구를 허용하고 있습니다. 최근 내부 수술 작업 행동과 인식의 다양한 측면을 해결하기 위해 점점 더 정교 해지고 있습니다. 현재 프로토콜의 목적은 성공적인 내부 수술 행동 작업 구현을위한 가이드를 제공하는 것입니다. 작업과 연구의 목적 목표는 물론 수술 대상 핵에 따라 달라집니다. DBS 수술을위한 응용 프로그램과 대상의 증가 correspondingly 다양한 증가 감안할 때, 우리는 개별 뉴런의 수준에서 인간의 두뇌 기능을 공부 급성장 기회를 기대하고 있습니다.

인트라 수술 연구를 구현할 때 고려해야 할 요소와 중요한 단계는 여러 가지가 있습니다. 제일 중요 한건, 이러한 연구에 상당한 시간 제한이있다, 이것은 각 과목에 대해 수집 수있는 행동 실험의 제한된 수의 결과. 따라서 작업을 디자인할 때, 하나는 신중 효과를 볼 수있는 충분한 통계적 전력을 보장하기 위해 작업에 조건의 수를 제한해야합니다. 이 제한을 극복하는 방법에는 여러가지가 있습니다. 하나는 시험 조건 permutations의 수를 줄이기 위해 시도할 수, 시험 시퀀스의 복잡성을 단순화 및 / 또는 단순히 더 많은 데이터를 수집합니다. 이러한 연구에 두 번째 상당한 제한이 neurophysiological 데이터의 품질입니다. 단일 유닛 절연은 수술실 환경에서 수행 아니라 실험실, 안정적인 높은 신호 대 잡음 비율 레코딩은 달성하기 어려운이기 때문에. 의 연결 신호의 품질이 초기 행동 세션에서 감소하는 경우, 그것은 그 중 하나가 작업을 중지하고 새로운 뉴런을 분리하는 것이 좋습니다. 마지막으로, 중요한 단계는 환자의 충분한 시간이 행동 작업을 마스터 수 있습니다. 이 단계를 간과하는 경우, 수집 데이터가 가장 가능성이 학습 효과에 의해 혼란 것입니다. 따라서 피사체가 훈련하고 완벽하게 작업을 이해하기 위해 미리 수술 기간을 활용합니다.

인트라 수술 연구는 인간의 두뇌와 병리를 이해하는 독특한 기회를 제공합니다. 그러나, 이러한 실험은 수술실의 동적 조건에서 발생하기 때문에 일반적으로 연구 실험실의 잘 통제된 환경에서 볼 수없는 합병증이 적용됩니다.

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Disclosures

관심 없음 충돌 선언하지 않습니다.

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).
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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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