Login processing...

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

Medicine

Интраоперационных поведенческие задачи в Пробудитесь Люди Проходят Глубокая стимуляция мозга хирургии

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

Summary

Глубокая стимуляция головного мозга хирургия предлагает уникальную возможность для изучения кодирования информации в человеческом мозгу проснуться. Эта статья описывает интраоперационных методов, используемых для выполнения когнитивных и поведенческих задач одновременно приобретение физиологических данных, например, ЭМГ, единичные нейронной активности и / или местных потенциалов области.

Abstract

Глубокая стимуляция мозга (DBS) это хирургическая процедура, которая направляет хроническим, высокой частоты электрической стимуляции для конкретных целей в мозг через имплантированные электроды. Глубокая стимуляция мозга была впервые реализована в качестве терапевтической модальности по Benabid и соавт. В конце 1980 года, когда он использовал эту технику, чтобы стимулировать вентральной промежуточного ядра таламуса для лечения тремора 1. В настоящее время процедура используется для лечения пациентов, которые не в состоянии адекватно реагировать на медикаментозное лечение таких болезней, как болезнь Паркинсона, дистония, и эссенциальный тремор. Эффективность этой процедуры для лечения болезни Паркинсона была продемонстрирована в хорошо питается, рандомизированных контролируемых исследований 2. В настоящее время Администрация США по продовольствию и лекарствам одобрил DBS для лечения пациентов с медицинской огнеупорных эссенциальный тремор, болезнь Паркинсона и дистония. Кроме того, DBS в настоящее время изучается для лечения других психических и неврологических расстройств, таких как обсессивно-компульсивное расстройство, большого депрессивного расстройства и эпилепсия.

DBS имеет не только было показано, чтобы помочь людям, улучшая качество их жизни, она также предоставляет исследователям уникальную возможность изучить и понять человеческий мозг. Микроэлектродные записи обычно выполняются во время операции DBS в целях повышения точности анатомической ориентации. Стрельба моделей отдельных нейронов могут быть записаны в то время как субъект совершает поведенческие задачи. Ранние исследования с использованием этих данных сосредоточены на описательные аспекты, включая стрельбу и взрыв ставок, а частота модуляции 3. Более поздние исследования были сосредоточены на когнитивные аспекты поведения по отношению к активности нейронов 4,5. Эта статья даст описание интраоперационных методов, используемых для выполнения поведенческих задач и записи данных с помощью нейронных пациентов во время бодрствования случаях DBS. Наша экспозиция процесс приобретения электрофизиологические данные будут освещать текущие возможности и ограничения интраоперационного эксперименты над человеком.

Protocol

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

1. Тема Набор и Согласия

  1. После клинической оценки и согласия на subthalamic ядра (STN) глубокая стимуляция мозга (DBS) для огнеупорных болезни Паркинсона, информация каждого пациента рассматривается для того, чтобы определить, если он / она соответствует критериям для интраоперационного исследования (Определено в Институциональные Обзор Совет директоров одобрил протокол в Massachusetts General Hospital).
  2. Если будет установлено, что субъект соответствует критериям исследования, врач член исследовательской группы (не оперирующего хирурга) приближается к пациенту, чтобы обсудить возможность участия в исследовании.
  3. Форму информированного согласия на участие в исследовании рассмотрены и затем объяснил тему. Важно отметить, что объяснение исследовании подчеркивается, что участие в исследовании является добровольным и что в любой момент он / она имеет возможность отказаться от своего участия. Более того, она подчеркнула, что затем их обсуждение к участию или сняться в исследовании не влияет на медицинскую помощь, он / она получит.
  4. Если будет установлено, что субъект осознает и соглашается принять участие в исследовании, он / она подписывает утвержденные информированное согласие и участие в исследовании.

2. Поведенческие установки Обучение и Риг

  1. В рамках DBS хирургии для болезни Паркинсона, предметы поступают в больницу за день до операции. Таким образом, это дает возможность тренироваться на предмет поведенческих задач. Это обучение имеет важное значение, поскольку она обеспечивает срок, в течение которого субъект может научиться выполнять задачи и развивать комфорт со своими правилами, удаляя "эффект обучения" смешивает (см. обсуждение).
  2. Портативный поведенческие установки доводится до больничной палате субъекта в ночь перед операцией.
  3. Это установка оснащена точно такой же поведенческие задачи, которую субъект обязан выполнять в день интраоперационного исследования.
    1. В этом примере Испытуемому предлагается играть карточная игра похожа на игру в "войну". В этой игре, субъект обязан ставку (либо $ 20 или $ 5), является ли его или ее карты выше, чем у компьютера. Цель этой задачи состоит в анализе роли вознаграждения и риска на нейронных кодирования в STN. Для того, чтобы стимулировать предмет им говорят, что они будут оплачиваться часть своих выигрышей.
    2. Как средство снижения возможных комбинаций (и в результате смешивает), только четные карты одной масти использовали (2, например, 4, 6, 8 и 10 пик). Таким образом, потенциальные результаты и ожидания задача может быть легко вычисляются и анализируются.
    3. В каждом испытании, субъект впервые видит экран изображающие их случайно сдаются карты, и обратной стороне карты неизвестного компьютера. На экране показаны два варианта ставки, $ 5 и $ 20. На основании относительной силы его / ее карты, субъект указывает ставку с кнопки, после чего на экране отображается его / ее карты и карты показали компьютера. На последнем экране явно изображает количество выиграли или проиграли.
  4. Субъект имеет право играть в игру, пока они не в полной мере понять правила игры и выполнять на комфортном уровне.

3. Интраоперационных - Экспериментальная установка

  1. Как только вопрос был расположен на операционном столе, установка содержащие поведенческих, сбора данных и оборудования обработки сигналов приводится в операционной. Риг позиционирования необходимо учитывать нормального потока работы и стерильность вопросов, связанных с операционной обстановке.
  2. Как компоненты этих установок монтируется и демонтируется для каждой сессии записи, жизненно важно, чтобы проверить все оборудование связи. Поэтому, как каждый компонент подключен к системе сбора данных, необходимо проверить целостность данных. Эти процедуры должны быть сделано в начале операции, чтобы предотвратить того, чтобы устранить эти проблемы во время критических время записи.
    1. Во-первых, загрузки и приобретения оборудования обработки сигналов. Соедините выходы установки обработки сигналов на входы приобретении буровой установки. В случае данного исследования, мы будем приобретении три внеклеточного потенциала действия каналов, соответствующих трем пара-sagittally ориентированные электроды, которые будут выдвигаться в мозг испытуемого во время операции. Включите один усилителей на время, чтобы убедиться, что система сбора приобретает сигналов.
    2. Безопасный монитор или таблицы в удобном положении просмотра с помощью соответствующего адаптера.
    3. Если устройства ввода (джойстик, кнопки окно, клавиатура и т.д.) используется, положение этого устройства, обращая внимание на латерализации по отношению к стороне мозга, из которого записи будут получены. Убедитесь, что стороны субъекта удобно расположены для работы устройства ввода. Рассмотрим просят анестезиолога, чтобы сecure монитор импульса оксигенации с другой стороны, чтобы обеспечить правильную работу устройства. В этой задаче мы используем кнопок.
    4. Загрузка поведенческие системы и убедиться, что поведенческие маркера событий в настоящее время захвачены приобретении буровой установки.
    5. Начало поведенческих задач и позволяют субъекту играть несколько испытаний задачей. В течение этого времени, убедитесь, что система сбора захватывает кнопки окно входов и поведенческих маркеров порожденных поведенческие установки.
    6. Если все соединения являются функциональными, остановить поведенческих задач и приобретение буровой установки.

4. Выделение Subthalamic нейроны ядра

  1. Цели операции являются местом хронической DBS ведет в двигательной области STN. Данное размещение достигается за счет сочетания стереотаксической изображений и neuophysiological записей.
  2. Информация о планировании и стереотаксической хирургической процедуры, сам, конечно, отличаются в разных учреждениях, но общий процесс аналогичен. В нашем институте, Косман-Робертс-Уэллс кадра стереотаксической и доверительное клетке применяется и глава компьютерной томографии получено. КТ с fiducials сливается с ранее полученными объемного МРТ головного мозга на нейро-система навигации (StealthStation, Medtronics, Миннеаполис, Миннесота, или BrainLab VectorVision, Фельдкирхен, Германия). Координаты область мозга цели (STN в данном случае), преобразуются в основе кадров координат. В операционной, пациент комфортно располагается в полу-лежа, и нацелен и задрапированные использованием стандартной хирургической техники. Координаты левого STN запрограммированы в кадр, который позиционируется на пациента. Кожа надрезанные и отказался. Берр отверстия размещены, и небольшой дурального открытия создали. Канюли придается Microdrive были приведены в положение и продвинутых до кончика канюли на 25 мм выше цели.
  3. Как только канюли являются передовыми в мозг, внутренние стилеты удаляются и заменяются с высоким импедансом (0,3 - 1 мега-Ом) микроэлектродов (FHC, Боудойн, ME). Установка обработки сигналов в предварительных усилителей соединены друг с электродом и каналом дифференциальных ссылкой подключен к внешней канюли.
  4. На обработки сигналов установки усилителей включены и внеклеточного сигнала оценивается. Кроме того, сопротивлением для каждого электрода проверяется, прежде чем перейти далее в мозг.
  5. Хирург достижений электроды медленно (0.05-0.4 мм шагов) в мозг. Электроды передовых начиная 25мм от расчетной целевой к STN. Эта траектория приводит к электроду, проходящих через хвостатого ядра, таламуса, зона INSERTA, и, наконец, в STN.
  6. Как только ввели электроды STN, физиолог манипулирует контралатеральной конечности пациента, как средство установления ли нейронов сигнал двигателя отзывчивым. Когда хирург и экспериментатор устраивает положение электродов, поведенческая задача может быть запущен.

5. Сбор данных

  1. Перед началом поведенческие задачи, важно, чтобы документ глубину микроэлектродов и отзывчивость двигателя изолированного нейрона (ы).
  2. Тема то учил, что задача будет начать. Убедитесь, что кнопка окна по-прежнему удобно расположены и что монитор полностью видна.
  3. Начало сбора данных и приобрести базовые деятельности в течение не менее 1 минуты до старта поведенческой задачи.
  4. Как субъект выполняет задачу, важно контролировать захваченные данные. С любой сбой в приобретении, задача должна быть остановлена ​​и проблема устранена.
  5. В текущем исследовании, Испытуемому предлагается выполнить 120 испытаний для каждой глубины STN.
  6. Задачи могут быть выполнены несколько раз для каждой глубины в STN, однако, Есть ограничения на продолжительность этих интраоперационного исследования (описано далее в обсуждении). Мы ограничиваем экспериментальных время записи до 30 минут, чтобы предотвратить пациента дискомфорт и чрезмерное продление операции. Кроме того, субъект имеет возможность отказаться от дальнейшей записи в любое время, в этом случае поведенческая задача останавливается и возобновляется операция.
  7. Как только исследование завершится, данные сохранены и архивируются для последующего анализа.

6. Анализ данных

  1. Во-первых, нейронные сигналы подвергаются дискриминации на отдельные временные метки шип с использованием коммерчески доступного программного обеспечения.
  2. Поведенческие коды задачу, затем разбирается и нейронной активности метки выравниваются с помощью кода сценария в Matlab.

Представитель Результаты:

На рисунке 1 представлены результаты представитель от одного нейрона STN записан во время войны в игре, описанной выше. Тсоч панелей изображают растров в центре на четырех поведенчески соответствующих эпох задачи: фиксация период до каждого испытания, презентация карты объекта, нажмите кнопку с указанием субъекта пари, а также презентация карты компьютера. Нижней панели представляют binned (50 мс бункеров) пригородных стимулом время гистограмм (PSTHs). Этот нейрон не реагирует мощного отпора презентация карты субъекта, но и увеличивает ее стрельбы значительно вокруг кнопки. Эта деятельность продолжается до заполнения карты памяти компьютера показало, в какой момент стрельбы снижается до базового уровня.

Рисунок 1
Рисунок 1. Представитель STN нейрона. Растры (верхняя панель) и пригородных стимулом время гистограмм (PSTHs) в центре поведенчески соответствующих эпох изображены на представителя одного STN нейрона. Это стрельбы нейрона значительно возрастает во времена кнопки с указанием субъекта ставку.

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

Глубокая стимуляция мозга хирургия предлагает прекрасную возможность для изучения активности отдельных нейронов в человеческом мозге. На сегодняшний день эта возможность разрешена многочисленные описательные исследования, которые характеризуют деятельность различных глубоких ядер. В последнее время интраоперационного задачи стали более сложными для того, чтобы решать различные аспекты поведения и познания. Целью текущего протокола заключается в обеспечении руководства для реализации успешных интраоперационного поведенческих задач. Цели задачи и цели исследования, конечно, варьироваться в зависимости от ядра предназначены для хирургического вмешательства. Учитывая растущее количество заявок на операции DBS и, соответственно, большее разнообразие целей, мы ожидаем, что растущие возможности для изучения функций мозга человека на уровне отдельных нейронов.

Есть ряд факторов и критических шагов, которые необходимо учитывать при реализации интраоперационного исследования. Прежде всего, Есть существенные ограничения времени для этих исследований, что приводит к ограниченному числу поведенческих исследований, которые могут быть собраны для каждого предмета. Таким образом, при разработке задач, следует вдумчиво ограничить количество условий, в задачу обеспечения достаточной статистической мощностью, чтобы увидеть эффект. Есть несколько способов преодолеть это ограничение. Можно было бы попытаться уменьшить количество перестановок суда состоянии, упростить сложность суда последовательностей и / или просто собрать больше данных. Второе существенное ограничение этих исследований является качество нейрофизиологические данные. Потому что единичные изоляции делается в операционной настройки, а не в лаборатории, стабильное высокое отношение сигнал-шум записи соотношение трудно добиться. Если качество сигнала уменьшается нейронов в начале поведенческих сессии, рекомендуется, чтобы одна остановка задачи и выделить новые нейроны. Последним, критический шаг позволяет пациенту достаточно времени, чтобы освоить поведенческие задачи. Если этот шаг упускается из виду, собранные данные, скорее всего, будет посрамлена, изучая эффекты. Таким образом, использовать дооперационном периоде для того, чтобы субъект обучается и полностью понимает задачи.

Интраоперационные исследования дают поистине уникальную возможность понять человеческого мозга и патологии. Однако эти эксперименты происходят в динамических условиях операционной и поэтому они подвержены осложнениям как правило, не видели в хорошо контролируемых условиях научно-исследовательской лаборатории.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Нет конфликта интересов объявлены.

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).
Интраоперационных поведенческие задачи в Пробудитесь Люди Проходят Глубокая стимуляция мозга хирургии
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