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Neuroscience

Die Untersuchung der Funktion von Deep kortikalen und subkortikalen Strukturen Mit Stereotaktische Elektroenzephalographie: Lehren aus der anterioren cingulären Cortex

Published: April 15, 2015 doi: 10.3791/52773
Automatic Translation
1,3, 4, 1,3, 3, 2,3, 2,3, 2,3, 1,3, 1,3, 1,3
1Department of Neurosurgery, Columbia University Medical Center, New York Presbyterian Hospital, 2Department of Neurology, Columbia University Medical Center, New York Presbyterian Hospital, 3Columbia University Medical Center, New York Presbyterian Hospital, 4School of Medicine, King's College London

Summary

Stereotaktische Elektroenzephalographie (SEEG) ist eine Operationstechnik in der Epilepsiechirurgie verwendet, um zu lokalisieren Anfallsherde. Sie bietet auch eine einzigartige Gelegenheit, die Gehirnfunktion zu untersuchen. Hier beschreiben wir, wie SEEG kann verwendet werden, um kognitive Prozesse beim Menschen untersucht werden.

Abstract

Stereotaktische Elektroenzephalographie (SEEG) ist eine Technik verwendet, um Krampfanfälle zu Brennpunkten bei Patienten mit medizinisch schwer behandelbarer Epilepsie zu lokalisieren. Das Verfahren beinhaltet die Platzierung der chronischen mehrere Tiefenelektroden in Regionen des Gehirns typischerweise über subduralen Gitterelektrodenplatzierung unzugänglich. SEEG stellt somit eine einzigartige Gelegenheit, um die Gehirnfunktion zu untersuchen. In diesem Beitrag zeigen wir, wie SEEG kann die Rolle des dorsalen anterioren cingulären Kortex (DACC) in kognitive Kontrolle zu untersuchen. Wir sind eine Beschreibung des SEEG Verfahren, was die chirurgische Platzierung der Elektroden. Wir beschreiben die Komponenten und Verfahren erforderlich, um lokale Feldpotential (LFP) Daten von zustimmenden Probanden, während sie in einem Verhaltens Aufgabe beschäftigt sind aufzuzeichnen. Im vorliegenden Beispiel, spielen Themen eine kognitive Störungen Aufgabe, und wir zeigen, wie Signale aufgezeichnet und von Elektroden in der dorsalen anterioren cingulären Cortex, eine Fläche intim analysiertLICH an der Entscheidungsfindung beteiligt. Wir schließen mit weiteren Vorschlägen der Weisen, in denen diese Methode zur Untersuchung von menschlichen kognitiven Prozessen verwendet werden.

Introduction

Epilepsie, eine gemeinsame neurologische Erkrankung im Laufe der Zeit, gekennzeichnet durch mehrere wiederkehrende Anfälle, macht 1% der weltweiten Krankheitslast 1. Anti-epileptische Medikamente nicht, Anfälle bei 20 zu steuern - 30% der Patienten 2,3. In diesen medizinisch hartnäckigen Patienten ist Epilepsiechirurgie häufig angegeben 4,5. Die Entscheidung, mit der Operation fortzufahren erfordert Auffinden der Anfallsfokus, eine Voraussetzung für die Formulierung eines Operationsplan. Zunächst werden nicht-invasive Techniken zur lateralisieren und lokalisieren die Beschlagnahme Fokus. Elektroenzephalographie (EEG), beispielsweise Maßnahmen kortikale elektrische Aktivität von Elektroden auf der Kopfhaut aufgenommen und kann oft eine ausreichende Information über die Lage des Anfallsherd. Darüber hinaus kann die Magnetresonanztomographie (MRI) diskrete Läsionen wie hippocampalen Sklerose klassischen Pathologie in der häufigsten Form von medizinisch hartnäckige Epilepsie gesehen mesial t nachweisenemporal Epilepsie (MTLE).

Häufig ist jedoch die nicht-invasive Abklärung nicht einen Anfall Fokus identifizieren. In diesen Fällen wird die invasive Elektrokortikographie (ECoG) intrazerebralen Elektroden erforderlich ist, um den Fokus zu lokalisieren und zu führen weitere chirurgische Behandlung 6. ECoG ist ein neuro Technik zur Messung elektrischer Aktivität unter Verwendung von Elektroden in direktem Kontakt mit dem Gehirn platziert. Gitter oder Streifen der Fläche (subduralen) Elektroden auf der Oberfläche des Gehirns, eines Prozesses, der eine Kraniotomie (Entfernung eines Knochendeckels) und eine große Öffnung der Dura erfordert platziert. Diese Oberflächenelektroden können über den vermeintlichen Bereich (e) des Anfallsbeginn gestellt werden. Die distalen Enden der Elektroden sind durch kleine Öffnungen in der Haut getunnelt und dem Kontrollgerät in der Epilepsie-Überwachungseinheit (EMU) verbunden ist. In der EWU wird dem Patienten für die klinische Anfallsaktivität durch kontinuierliche Video- und ECoG Aufnahmen überwacht. Diese Technik is nützlich für das Sammeln von langfristigen (Tage bis Wochen) Aufnahmen von iktale und interiktalen elektrischen Entladungen über größere Bereiche der kortikalen Oberfläche. Während diese Hirnaufnahmen sind von unschätzbarem Wert für die Untersuchung von klinisch Anfallsherde und Vermehrung, sie geben uns auch die Möglichkeit, die kognitive Funktion und Neurophysiologie des Menschen unterziehen speziell Verhaltensaufgaben zu untersuchen.

ECoG Verwendung subduralen Gitterelektroden verwendet worden, um verschiedene Aspekte der Rindenfunktion, einschließlich sensorischer und Sprachverarbeitung zu untersuchen. Als eines von vielen Beispielen, gezeigt Bouchard et al die zeitliche Koordinierung der Mundmuskulatur bei der Bildung von Silben für gesprochene Sprache der ventralen sensomotorischen Cortex, eine Region, die als die menschliche Sprache sensomotorischen Cortex 7 identifiziert. Außerdem ECoG mit subduralen Gitter Platzierung auch verwendet worden, um die Mechanismen, mit denen die Menschen in der Lage sind atten studierend auf eine bestimmte Stimme in einer Menschenmenge: die so genannte "Cocktail-Party-Effekt 8,9. ECoG-Aufnahmen zeigten, dass es zwei verschiedene neuronale Bands, die dynamisch verfolgen Rede Ströme, sowohl Niederfrequenzphase und High-gamma Amplitudenschwankungen, und dass es verschiedene Verarbeitungsstellen - ein "Modulation" Website, die beide Lautsprecher-Spuren und eine "Auswahl" Website, die die besuchten Talker 5 Tracks.

Eine weitere neue Anwendung der ECoG mit subduralen Elektrodenplatzierung ist das Potenzial für den Einsatz mit Brain Computer Interfaces (BCI), die neuronale Aktivität, um einen externen Ausgang steuern "entschlüsseln". Diese Technologie hat das Potenzial, so dass Patienten mit schweren Hirn- oder Rückenmarksverletzungen mit der Welt kommunizieren und Prothesen 10,11 manipulieren.

Während subduralen Gitter Platzierung hat erheblich zu unserem Verständnis von Super beigetragenoberflächlichen kortikalen Bereichen und ist nützlich bei der Identifizierung von kortikalen epileptogenen Foci Hierzu ist jedoch erfordern eine Kraniotomie und die damit verbundenen Risiken und wird im Allgemeinen für die Untersuchung der äußeren Oberfläche des Gehirns beschränkt. Stereotaktische Elektroenzephalographie (SEEG) ist eine Technik, die die Beurteilung der tiefen epileptischen Foci 12 ermöglicht. Mit einer langen Geschichte der Verwendung in Frankreich und Italien, wird es auch zunehmend in den USA 13 verwendet. SEEG beinhaltet die Platzierung von mehreren Elektroden (in der Regel 10 bis 16) tief in die Substanz des Gehirns durch kleine (wenige mm) Spiralbohrer Bohrlöcher. Vorteile SEEG über subduralen Gitter Platzierung umfassen seine weniger invasive Art, die Leichtigkeit der Prüfung bilateralen Hemisphären, wenn erforderlich, und die Fähigkeit, dreidimensionale Karten von Anfallsausbreitung zu erzeugen. Darüber hinaus sind diese Elektroden ermöglichen die Identifikation von tiefen epileptischen Foci, die bisher nur schwer mit Oberflächenelektroden zu identifizieren waren. Diese Vorgehensweise auch provides die Möglichkeit, die die Neurophysiologie und Funktion der Tiefe kortikalen Strukturen, wie dem limbischen System, den mesoparietal Cortex, der mesotemporal Cortex und dem orbitofrontal Cortex, von denen alle bisher nur schwer direkt in Menschen untersucht untersucht werden.

Dieser Beitrag zeigt, wie SEEG kann genutzt werden, um die kognitive Funktion im dorsalen anterioren cingulären Kortex (DACC) untersucht werden. DACC ist weitgehend untersucht Gehirnregion, aber es ist auch eine der schlecht verstanden. Als eine wesentliche Region für die menschliche Kognition, ist es wahrscheinlich, dass die DACC steht im Mittelpunkt der dynamischen neuronalen Verarbeitung von Entscheidungen im Zusammenhang mit der ständig wechselnden Anforderungen der Umwelt 14 verhängt. Studies in beiden Primaten 15,16 und 17 Menschen vermuten, dass die DACC integriert potenziellen Risiken und Chancen, die eine bestimmte Maßnahme, vor allem in Situationen von mehreren gleichzeitigen Spannungsfeld von 18 bis 21, und modulates diese Entscheidungen im Zusammenhang mit der bisherigen Maßnahmen und die dabei erzielten Ergebnisse 14,22,23.

Die Multi-Source Interference Aufgabe (MSIT), ein Stroop-ähnliche Verhaltensaufgabe, wird häufig zur Konfliktbearbeitung im DACC zu untersuchen. Die MSIT Aufgabe aktiviert DACC durch Rekrutierung Neuronen in mehreren Domänen der Verarbeitung durch den DACC 24,25 reguliert beteiligt. Diese Aufgabe spezifisch aktiviert die DACC durch Testen Merkmale der Entscheidungsfindung, Zielerkennung, Neuheitsdetektion, Fehlererkennung, Antwortauswahl und Stimulus / Antwort-Wettbewerb. Zudem führt die MSIT Aufgabe mehreren Dimensionen der kognitiven Störungen, die in dieser Studie verwendet werden, um DACC neuronalen Antworten auf gleichzeitige widersprüchliche Reize mit SEEG untersuchen.

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Protocol

Stellen Sie sicher, dass jeder Patient ist für die Eignung für die Studie überprüft und entsprechende Patienten müssen für die Teilnahme an der Studie nach den örtlichen IRB Verfahren zugestimmt.

1. Patientenauswahl für SEEG und Forschung

  1. Patientenauswahl für SEEG
    Hinweis: Epilepsie-Patienten müssen klinisch durch ein multidisziplinäres Team, bestehend aus epileptologists, Neuropsychologen und Neurochirurgen zu bewerten.
    1. Stellen Sie sicher, dass der Patient medizinisch refraktären fokalen Epilepsie, definiert als Mißachtung von mindestens 2 ausreichende Studien mit Antiepileptika Medikamente reagieren.
    2. Stellen Sie sicher, dass nicht-invasiven Techniken haben es versäumt, die epileptischen Foci zu lokalisieren.
    3. Bestätigen Sie mit der multidisziplinären Team, dass Patienten nicht geeignet für die Untersuchung nur mit subduralen Gitterelektroden.
    4. Bestätigen Sie mit der multidisziplinären Team, dass es klinischen Verdacht auf eine tiefe Anfallsbeginn Zone.
    2. <li> Die Patientenauswahl für die Forschungsaufgabe
    1. Stellen Sie sicher, dass Thema ist im Alter von 13 und 65 Jahren.
    2. Erhalten Zustimmung oder Zustimmung (mit Zustimmung der Eltern, wenn unter dem Alter von 18 Jahren) aus dem Patienten.
    3. Stellen Sie sicher, dass die Versuchspersonen in der Lage sind, um die Aufgabe zu besuchen und mit der Prüfung zusammenarbeiten.

2. Vorbereitung und Implantationstechnik

  1. Führen Sie eine volumetrische T2 und kontrastverstärkten T1 volumetrischen MRT präoperativ und übertragen Sie die Bilder in die stereotaktische Navigationssoftware, gemäß dem Protokoll des Herstellers.
    1. Planen Sie die Tiefenelektrode Ziele auf der Grundlage der MRT und klinischer Verdacht auf Anfallsherde.
      ANMERKUNG: Die Beispiele basieren auf der BrainLab Navigationssoftware und sind somit spezifisch für dieses System. Es kann jedoch jede stereotaktische Navigationssoftware verwendet werden, um Tiefenelektrode Trajektorien und Platzierung zu planen.
    2. Definieren Sie die interessierende anatomische Region alsder Zielpunkt in der "stereotaktische Planung" Funktion in der stereotaktischen Navigationssoftware.
    3. Verwenden Sie beispielsweise DACC als Ziel von Interesse. Um seine Flugbahn, drücken Sie definieren "Neue Flugbahn", und drücken Sie dann "Ziel" und klicken Sie auf die DACC. Zentrieren Sie das Ziel in der Mitte des DACC durch die Untersuchung DACC in allen 3 Ebenen (axial, koronal und sagittal) und klicken Sie auf die Mitte des DACC in jeder Ebene.
      1. Definieren Sie den Einstiegspunkt auf der Kopfhaut in der "stereotaktische Planung" Funktion in der stereotaktischen Navigationssoftware.
    4. Wählen Sie beispielsweise einen Punkt auf der Kopfhaut, die den kürzesten Weg zu dem DACC sein scheint. Drücken Sie auf "Eintrag" und wählen Sie den Punkt auf der Kopfhaut, den Einstiegspunkt zu machen.
    5. Klicken Sie auf und ziehen Sie die "Ziel" und "Eintrag" Punkte, um die definierten Trajektorie ändern, um kortikalen und subkortikalen vaskulären Strukturen sowie mögliche eloquent ce vermeidenrebral Regionen.
    6. Wiederholen Sie dies für alle geplanten Tiefe Elektrode Ziele (Abbildung 1).
    7. Zugeben, der Patient am Morgen der Operation, bringen in den Operationssaal, und induzieren unter Vollnarkose 26,27.
    8. Bringen Sie ein Cosman-Roberts-Wells (CRW) stereotaktischen Kopfrahmen auf den Kopf des Patienten mit Schädel-Schrauben.
    9. Besorgen Sie sich eine volumetrische CT mit dem Förderturm an Ort und Stelle.
    10. Laden Sie die Volumen CT- und MRT-Bilder in die stereotaktische Navigationssoftware über den "Laden und Import" Funktion.
    11. Klicken Sie auf die Funktion "Lokalisierung" im stereotaktische Navigationssoftware.
    12. Lokalisieren Sie die CRW Fördergerüst, indem Sie auf alle durch die stereotaktische Navigationssoftware als mit dem Förderturm und dann Drücken der "Assign Localizer" -Taste definiert Bildern.
    13. Klicken Sie auf die Funktion "AC / PC Lokalisierung" im stereotaktische Navigationssoftware.
    14. Identifikationentify die vorderen und hinteren Kommissuren auf der Grundlage ihrer anatomischen Lage.
    15. Bezeichnen Sie die vordere und hintere Kommissuren über die Funktion "AC / PC-System" in der stereotaktischen Navigationssoftware.
    16. Klicken Sie auf die Funktion "Bild Fusion" in der stereotaktischen Navigationssoftware.
    17. Führen Sie die CT-Bilder mit den MRT-Bilder in der stereotaktischen Navigationssoftware 28,29. Klicken Sie auf das gepaart volumetrischen CT und MRT-Bildern unter der Registerkarte "Fusion" und klicken Sie auf "Auto-Fusion".
      Hinweis: Dadurch wird das MRI in den stereotaktischen Rahmen Koordinaten.
    18. Klicken Sie auf die Funktion "stereotaktische Planung" in der stereotaktischen Navigationssoftware und bestätigen die geplanten Trajektorien aus den Schritten 2.1.2 - 2.1.6.
    19. Wählen Sie das volumetrische CT als stereotaktischen Referenz unter dem Reiter "Stereotaktische Funktionen".
    20. Klicken Sie auf das Symbol "Drucken" in ter vertikalen Spalte von Symbolen, um die endgültigen stereotaktischen Koordinaten für jede Tiefe Elektrodenbahn 30,31 drucken.
  2. Implantationstechnik
    1. Bringen Sie den Patienten in den Operationssaal nach dem CT-Scan.
    2. Bereiten Sie und drapieren das Operationsfeld mit Routine sterilen Methoden 32,33.
    3. Sicherzustellen, dass ein Fluoroskop ist im Operationsraum und zusammen mit dem Rest des Operationsfeldes drapiert.
    4. Mit den gedruckten stereotaktischen Koordinaten mit Schritt 2.1.20, stellen Sie die Koordinaten für die erste Tiefe Elektrode auf dem Fördergerüst.
      Hinweis: Die stereotaktischen Koordinaten werden in 3 Ebenen gegeben: lateral (x), einer vertikalen (y) und anterior-posterior (z). Zum Beispiel können die gedruckten Koordinaten für ein Ziel in der rechten DACC sind 48,2 mm AP, 6,6 mm Seitliche und +2,2 mm vertikal. Das Fördergerüst wird dann an diesen Koordinaten entsprechend eingestellt.
    5. Ziehen Sie die Führungsblock bis auf die Haut und markieren Sie die Lage des Bohrloch auf der sCalp mit einem Markierungsstift. Befestigen Sie den Führungsblock an Ort und Stelle auf der Grundlage der stereotaktischen Koordinaten und als solche sind keine Sehenswürdigkeiten notwendig, den Schnitt zu markieren.
    6. Injizieren 2 - 3 ml 0,5% Bupivacain in einer 1: 100.000-Verdünnung von Epinephrin in die markierte Einschnitt.
    7. Machen Sie einen Namen in der Kopfhaut mit einem Skalpell bis auf den Schädel in den markierten Schnitt.
    8. Cauterize die Dermis und tiefe Gewebe mit monopolaren Kauter mit beschichtetem Verschluss gerichtet, um jede Blutung aus Gefäße in der Haut oder Hautzellgewebes zu minimieren.
    9. Bohren Sie ein Bohrloch mit einem 2,1 mm Spiralbohrer in der Mitte des Einschnitts.
    10. Öffnen Sie die Dura mit einem starren Verschluss Sonde. Schrauben Sie einen Ankerbolzen in den Schädel. Legen Sie eine abgemessene Stilett Sonde durch die Ankerbolzen, um einen Titel für die Elektrode zu machen.
    11. Die Elektrode vorsichtig voran auf die vorausberechnete Tiefe. Ziehen Sie die Befestigungsschraube der Kappe nach unten, um die Elektrode zu sichern.
    12. Wiederholen Sie diesen Vorgang für alledie Tiefenelektroden.
    13. Stellen Sie den Durchleuchtungs unten und Kopf des Patienten sowohl in der AP und die Querebene umgibt den Durchleuchtungsbildern zu erhalten, um eine angemessene Platzierung Trajektorien aller Elektroden zu gewährleisten.
    14. Die Elektroden an der klinischen EEG-System, um geeignete Impedanzen zu überprüfen.
    15. Beginnen Sie den Patienten aus der Narkose und Transport in den Aufwachraum, und anschließend in die EWU.
    16. In der EWU, überwachen den Patienten über geschlossenen Kreislauf Monitoring für klinische Anfälle und über ECoG für elektro Beweis für Anfälle.

3. Verhaltensaufgabe und Datenerfassung

  1. Behavioral Aufgabe
    1. Öffnen Verhaltens Software auf dem Computer läuft, um ausschließlich die Verhaltens Software gewidmet.
      Hinweis: Die zur Verfügung gestellt werden auf MonkeyLogic, einer MATLAB-Toolbox für die Darstellung und Ausführung der zeitlich präzisen psychoAufgaben 34,35 entworfen basierte Anweisungen und sind somit specific zu diesem Verhaltens Software-Plattform. Dieses Programm basiert auf Matlab Version 2010a jedoch ausgeführt und erfordert die "Data Acquisition Toolbox.", Jede Verhaltens Software-Plattform in der Lage, visuelle Reize präsentiert und Aufnahme elektrophysiologischer Daten verwendet werden könnten.
    2. Stellen Sie die Bedingungen Datei entwickelt, um die MSIT Aufgabe ausgeführt werden, um alle vier Testarten gleich häufig sind.
      Hinweis: Die MSIT Aufgabe besteht darin, präsentiert das Thema mit einem Cue aus drei Zahlen zwischen 0 und 3, in denen zwei der Zahlen, sind die gleichen, und eine Zahl die "Distraktoren", das "Ziel", ist anders.
      1. Weisen Sie den Gegenstand, um das "Ziel" durch Drücken der entsprechenden Taste auf einem Tastenfeld zu identifizieren. Wenn "1" das Ziel ist, ist die linke Taste die richtige Wahl. Wenn "2", die mittlere Taste, und wenn "3", die rechte Taste. '0' bezieht sich nicht auf eine mögliche Taste entsprechen (Abbildung 2).
      2. Drücken Sie die Schaltfläche "Bedingungen" und wählen Sie die gewünschten Bedingungen Datei im vorherigen Schritt festgelegt.
        Hinweis: Es gibt zwei Arten von kognitiven Störungen, die einen Konflikt während des Entscheidungsprozesses zu induzieren. Flanker Interferenz Versuche auftreten, wenn die Distraktoren sind möglich (1, 2, oder 3, anstatt 0) Taste Auswahl (z. B. 121), während die räumlichen Störungen Versuche auftreten, wenn räumliche Position der Zielnummer sich von dem Antwort Position (Beispiel 200 , bei dem die mittlere Taste ist die richtige Antwort, trotz der Tatsache, dass die Zielnummer ist in der linken Position). Es gibt vier Testtypen auf der Grundlage der Anwesenheit oder Abwesenheit dieser beiden Interferenztypen.
      3. Testen Sie die Verhaltens Monitor, indem Sie auf "Test" im Display-Box. 3 Sek - Der Monitor sollte den Test visuellen Reiz für 2 zeigen.
      4. Schließen Sie das Thema Schnittstellengerät (Taste Box) an die analogen Eingänge auf der DatenErfassungskarte auf dem Computer, um die Aufzeichnung der elektrophysiologischen Daten über drei Standard-BNC-Kabel gewidmet.
      5. Schließen Sie die Taste Box an eine Stromquelle.
      6. Schließen Sie das Datenerfassungskarte mit dem 512-Kanal-neuronalen Signalprozessor über ein Flachkabel aufgeteilt in neun Bändern. 8 der Bänder an die Ports 0 verbunden - 7 auf der digitalen I / O-Abschnitt der Datenerfassungsplatine, während der 9-ten Band mit Port 0 an der digitalen PFI Teil der Datenerfassungsplatine verbunden.
        Anmerkung: Die Schleife senden digitale 8-Bit-Marker (Ports 0-7, digitale I / O) und ein Strobe-Impuls (Port 0, digital PFI), dem neuronalen Signalprozessor.
      7. Stellen Sie die gewünschte Abtastrate in der neuronalen Signalprozessor-Software.
        1. In diesem Beispiel stellen Sie die gewünschte Abtastrate zu 50.000 Samples pro Sekunde, alias und down-Proben Online zu 1.000 Samples pro Sekunde. Stellen Sie die Sample-Rate, um die spezifischen Ziele der Aufgabe passen. Sub-Millisekunden-Timing-Genauigkeiterfordert eine extrem hohe Abtastrate.
      8. Schließen Sie den Verstärker an das neuronale Signalprozessor über Lichtwellenleiter.
      9. Verbinden des neuronalen Signalprozessor zur Datenstreamer und der optischen PCI-Karte in dem neuronalen Datenerfassungscomputer über Glasfaserkabel.
    3. Datenerfassung
      1. Verwenden Sie den Forschungsstand zur EWU-Elektrophysiologie, die eine 512-Kanal-neuronalen Signalprozessor zur Verarbeitung und Filterung digitalisiert, vorverstärkten elektrischen Signale von den Tiefenelektroden.
        Anmerkung: Während es 512 Kanäle für die Verarbeitung, in der Praxis gibt es nie mehr als 15 bis 20 Elektroden für klinische Zwecke gegeben. Wir empfehlen daher die Aufnahme von so vielen Elektroden möglich wie Datengröße und die räumliche Auflösung ist nie ein Problem.
      2. Transportieren Sie das Rig zu Patientenzimmer, legen Sie die Verhaltens Monitor vor dem Patienten auf einem tragbaren Tisch und eine Verbindung mit dem VerhaltenssteuerrechnerAusführen des Verhaltens Software mit einem Standard-DVI-Kabel.
      3. Legen Sie die Aufnahme rig hinter oder neben dem Bett des Patienten, um so unauffällig wie möglich zu bleiben.
      4. Schließen Sie das Forschungssystem zu dem Verteilergetriebe, das die Forschungs Aufnahme vom klinischen System trennt.
      5. Steueraufnahmeparameter mit Hilfe der neuronalen Signalprozessor Software 34,35.
        Hinweis: Dieses System ermöglicht es unter einer Millisekunde Kontrolle über Verhaltensereignisse 34,35. Die Synchronisation zwischen Neuro- und Verhaltensdaten können entweder mit analogen Impulse für die Aufgaben Ereignisse oder digitalen Marker Codierung durchgeführt werden. Beide Signale können entweder aus den digitalen oder analogen Ausgänge des Datenerfassungsplatine zu dem analogen oder digitalen Eingänge der neuronalen Signalprozessor gesendet werden.
      6. Die Hand des Patienten das Thema Schnittstellengerät (Schaltfläche Kasten) und geben Sie Aufgabe Anweisungen.
      7. Klicken Sie auf "Ausführen", um die Aufgabe auszuführen.
      8. Lassen Sie den Patienten an,füllen Sie 2 Blocks von 150 Studien je.

    4. Datenanalyse

    1. Open-Software-Paket, das zur Visualisierung von elektrophysiologischen Daten ermöglicht.
      Anmerkung: Die nachstehenden Vorschriften bezüglich Matlab Version 2010a aber Software, die zur Visualisierung und Manipulation der elektrophysiologischen Daten ermöglichen, können verwendet werden.
    2. Öffnen .edf Datei mit rohen elektrophysiologischen Daten aus der Studie Sitzung.
    3. Visualisieren SEEG Signal aus der Sitzung, um sicherzustellen, gibt es keine sichtbaren Artefakten wie epileptiforme Entladungen oder Bewegungsartefakte (3A).
    4. Überlagern Sie die Zeitimpulse von der Verhaltensaufgabe auf die rohen LFP trace (3B), um zu veranschaulichen, wie analoge Impulse Probestruktur abzugrenzen.
    5. Mit Hilfe der Zeitimpulse, richten Sie die SEEG Spur zu Cue-Präsentation für jeden Versuch (3C).
    6. Ausreißer (> 4 Standardabweichungen) entfernenund Artefakt Spuren (Figur 3D).
    7. Speichern Sie alle ausgerichteten Studien in einer Matrix für weitere Analysen (20 gezeigten Studien in 3E gestapelt).
    8. Durchschnittliche LFP Aktivität in Studien zu Auswirkungen von Lärm, Artefakt, oder EEG-Aktivität nicht auf die präsentierten Stimuli zu reduzieren und um das Signal von Interesse (3F) zu erhöhen.
    9. Erstellen Sie die rohen, Versuch gemittelten Spektrogramm mit Multi-Kegel Spektralanalyse 36-38.
      Anmerkung: Zeit-Frequenz-Analyse, um die spezifische spektral-temporalen Dynamik über einzelne oder mehrfache Studien untersuchen verwendet werden. Dieses Verfahren ermöglicht die Untersuchung der neuronalen Schwingungen bei verschiedenen Frequenzen über die Zeit.
    10. Füllt das Signal von jedem Versuch mit Nullen auf die nächste größte Potenz von 2, um Randeffekte zu vermeiden.
    11. Tragen Sie eine 800 ms-Schiebefenster mit 5 führenden verjüngt und ein Zeit-Bandbreite-Produkt von 9 alle 10 ms durch die Dauer des Signals, um die Spezifikation zu erstellentrogram (4A).
    12. Multiplizieren Sie das Protokoll des Spektrogramm von 10 und zu normalisieren, um höhere Frequenzinformationen.
      Anmerkung: Die Spektrogramme durch eine Wahrscheinlichkeitsverteilung (dh jeder Frequenzwert an den negativen 2. Potenz) (4B), das mittlere Spektrum einiger Grundaktivität (4C) oder durch Teilen durch die mittlere und Subtrahieren der normalisiert Standardabweichung der Werte in jedem Frequenzband (4D). Dieses Verfahren erlaubt die Untersuchung der spezifischen Frequenzbänder sowohl in rohen und normalisierten Formen über die Zeit für die spezifisch für die Aufgabe ändert. Zum Beispiel hohe Gamma-Band-Aktivierung - ist (70 150 Hz), die in 3E gezeigt ist, angenommen, dass lokale erregenden der örtlichen neuronalen Population der Elektrode 39,40 umliegenden widerspiegeln.

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Representative Results

Sobald ein Patient für SEEG Elektrodenplatzierung gewählt, er / sie erfährt eine Volumen T2 und T1 kontrastverstärkten MRT. SEEG Elektrodenbahnen werden dann geplant mit stereotaktischen Navigation der volumetrischen MRT-Sequenzen (Abbildung 1). Diese Technik ermöglicht die Sammlung von lokalen Feldpotentiale von Strukturen tief in die Rinde wie dorsalen anterioren cingulären Kortex (hellorange Flugbahn, Abbildung 1), die nicht mit typischen Oberflächenelektrodenplatzierung möglich wären. Postoperativ in der WWU, der Patient führt die Multi-Source Interference Aufgabe (Abbildung 2), entworfen, um DACC Neuronen zu aktivieren. Nach einer ausreichenden Anzahl von Studien werden die lokalen Feldpotentials Daten der SEEG Elektroden in DACC um die LFP Daten an Cue-Präsentation für die anschließende sinnvolle Analyse (Abbildung 3) ausrichten vorverarbeitet. Darüber hinaus wird einmal ausgerichtet, die LFP-Daten können gemittelt werden, um cha untersuchennges im Durchschnitt elektrophysiologische Reaktion zwischen Testarten (3F). Anschließend werden Multispek Verjüngung, um Veränderungen in Frequenzbänder über die Zeit (4) zu untersuchen. Als Kopf EEG Studien haben verschiedene Frequenzbänder in der Aktivität in DACC gesehen impliziert, ist die Zeit-Frequenz-Analyse eine wichtige Methode, um die elektrophysiologische Veränderungen DACC mit Verhaltens verknüpfen.

Abbildung 1
Abbildung 1. Geplante SEEG Elektroden Trajektorien Mit stereotaktische Navigation der Volumen T1 kontrastverstärkten MRT. Oben links Panel. Top-down-Ansicht dreidimensional rekonstruiert Gesicht mit überlagertem geplant SEEG Elektrodenbahnen. Oben rechts, unten links und unten rechts Panels. Axial, sagittal und koronale Ansichten der geplanten SEEG Elektrodenbahnen auf Patienten MRI überlagert. OrangeElektrodenbahnen stellen Implantation in den anterioren cingulären Kortex bilateral. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.

Abbildung 2
Abbildung 2. Die Multi-Source Interference Aufgabe. Zunächst fixiert das Thema auf einem Kreuz in der Mitte des Bildschirms vor dem Cue dargestellt sind. Der Cue wird dann vorgestellt und die aufgenommenen Personen das "Ziel" Nummer, die der eine Anzahl von den beiden anderen Zahlen vorgelegt ist zu identifizieren. Das Motiv zeigt die Auswahl mit einem Tastendruck: linke Taste, wenn das Ziel ist "1", in der Mitte, wenn "2" und rechts, wenn "3" In diesem Beispiel ist, wenn die Person drückt den mittleren Knopf, er / sie die gezeigt wird Zahl "2" in grün und zeigt er / sie hatdie richtige Wahl. Wenn er / sie wählt eine der anderen Tasten, "2" in rot angezeigt, was auf eine falsche Wahl. Themen auch zu unterziehen Studien, in denen sie valente Feedback über ihre Wahl, in diesem Fall die "2" wird blau unabhängig davon, ob die Entscheidung richtig ist oder nicht angezeigt nicht angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.

Figur 3
Abbildung 3. Vorverarbeitung SEEG Daten. (A) Die von einem einzelnen Kanal im DACC aufgezeichneten Daten. (B) Eine Minute-lange Aufnahme von anterioren cingulären Kortex mit überlagerten Zeitimpulse für die Verhaltens-Aufgabe. (C) Die Daten für jeden Versuch auf der Cue-Präsentation ausgerichtet. (D) Daten für jedesStudie über die Cue-Präsentation mit Ausreißern und Artefakt Spuren entfernt ausgerichtet. (E) LFP von 20 Studien auf ein Stichwort-Präsentation ausgerichtet und gestapelt. F. Gemittelt LFP auf ein Stichwort-Präsentation ausgerichtet von einem medialen präfrontalen Elektrode. Gepunktete Linien stellen den Beginn des Fixationspunktes. Gestrichelten Linien den Cue Beginn. Strich-Punkt-Linien repräsentieren die durchschnittliche Antwortzeit. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.

4
Abbildung 4. Spektralanalyse. (A) Raw Studie gemittelte Mehrkegel Spektrogramm auf ein Stichwort ausgerichtet. (B) Das gleiche Spektrogramm in einem normalisierten um 1 / f 2. (C) Das gleiche Spektrogramm in einem normalisierten durch den mittleren Spektrums von 500 Millisekunden vor deme die Cue. (D) Das gleiche Spektrogramm in (A) für ein Frequenzband normiert. (E) Mittlere Hoch gammaband Leistung für normalisierte und nicht normalisierte Spektren. In allen Plots, gestrichelten Linien das Einsetzen der Befestigungspunkt, gestrichelte Linien stellen den Cue Einsetzen und strichpunktierte Linien stellen die durchschnittliche Antwortzeit. Farbige Balken zeigen die hohen Gamma-Bands in (E) verwendet werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.

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Discussion

In diesem Papier SEEG wurde verwendet, um die Aktivität der lokalen neuronaler Populationen im DACC während einer Entscheidungsaufgabe des Menschen untersucht. Frühere Arbeiten haben die Aktivität einzelner Nervenzellen im DACC sucht unter Verwendung intraoperativer microelectode Aufnahmen 14 und gezeigt, dass DACC Aktivität wird durch vorherige Aktivität moduliert. Mikroelektroden-Studien ermöglichen die Untersuchung der Spick Aktivität einzelner Nervenzellen. SEEG misst LFP, die den aufsummierten synaptische Potentiale in einer großen Population von Neuronen verbunden sind. SEEG ermöglicht somit die Möglichkeit, gleichzeitig zu untersuchen Bevölkerung neuronale Aktivität von mehreren Hirnregionen.

Bei Verwendung eines klinischen Technik wie SEEG auf wissenschaftliche Fragestellungen zu untersuchen, ist es wichtig, zunächst sicherstellen, dass die operativen und Forschungspläne ausgerichtet sind. Das klinische Problem, das gelöst werden soll festgestellt werden Anfallsbeginn Zone und wi des Patientenll haben immer Vorrang. Da der operativen Planung wird durch klinische Notwendigkeit diktiert, wird es nicht immer möglich ist, die gleiche Forschung Problem mit jedem Fall zu untersuchen. So haben wir eine Reihe von Aufgaben entwickelt, um getrennte wissenschaftliche Fragen, die operative Planung des Patienten je nach wobei die Regionen mit Elektroden verhört angepasst werden können zu beantworten entwickelt.

In dieser Studie wurde SEEG LFP-Daten verwendet werden, um kognitive Kontrolle über zielgerichtete Verhalten im dorsalen anterioren cingulären Kortex zu untersuchen, einen tiefen kortikalen Struktur im medialen präfrontalen Region, die schwer zu bei Menschen zu untersuchen. LFP Datenerfassung kann mit vielen verschiedenen Systemen durchgeführt werden. Ein wesentlicher Aspekt ist die Abtastrate, da dies muss hoch genug sein, um die Signale in dem der Forscher interessiert erwerben. Im allgemeinen sollte die Abtastrate das Vierfache höher als die höchste Frequenzband untersucht. Zum Beispiel, wenn die Forschunger interessiert ist bei der Betrachtung der evozierten Potentiale (<50 Hz), muß die Abtastrate ca. 200 Proben / s betragen. Allerdings, wenn die wissenschaftliche Fragestellung erfordert die Prüfung hoch Gamma-Aktivität (60 bis 200 Hz), die Abtastrate mindestens 500 Proben / s betragen. Zusätzlich sollte das System in der Lage, genügend Elektroden implantiert sind, und Hardware-Filter auf dem Datenerfassungssystem aufgezeichnet nicht Frequenzbändern von Interesse auszuschließen. Zum Beispiel haben viele Systeme nicht aufnehmen Gleichstromsignale. Wenn die Forscher interessiert sich für das Studium sehr langsame Signale, sollte er / sie ein Aufzeichnungssystem mit einer entsprechend niedrigen Hochpass-Hardware-Filter zu verwenden. Während der Datenanalysephase ist es wichtig, Versuche mit sehr großen oder schnellen Transienten entfernen und Kanäle oder Prüfungen, die epileptiforme Aktivität aufweisen als normale Physiologie ist sehr schwierig, in der Gegenwart von epileptiforme Aktivität zu untersuchen entfernen.

Die Rolle des DACC irrtümlich Vorhersage 23,41 15 und im Verhaltensanpassung im Rahmen der konkurrierenden Ansprüche 18-21, gegenteilige Reaktionen 42 und frühere Tätigkeit 14,22,23, ist gut etabliert. , Eine einheitliche und integrative Theorie für die spezifischen neuronalen Mechanismen, durch die DACC moduliert kognitive Kontrolle ist jedoch noch unter dem Vorbehalt Vermutung von einem Mangel an empirischen Daten aus Humanstudien Untersuchung dieser Domänen gleichzeitig 43,44. SEEG bietet die Möglichkeit, die neuronale Aktivität im menschlichen DACC untersuchen und damit zu einem integrierten Verständnis der DACC Funktion beitragen.

SEEG bietet die Möglichkeit, anderen kortikalen Arealen, die den Zugriff mit Oberflächenelektroden, wie orbitofrontalen Kortex (OFC), deren Beteiligung an den emotionalen und Belohnung basierte Aspekte der Entscheidungsfindung hat mit Einheit in Studien untersucht worden schwierig sein kann, zu untersuchen Aufnahmen in Makaken monTasten 45 und Konnektivität Studien am Menschen mit diffusionsgewichteten Bildgebung Traktographie 46. Während diese Studien zur Theorie der OFC Funktion beigetragen menschlichen Entscheidungs ​​47, gibt es eine Knappheit der Literatur in den Menschen studieren OFC Funktion speziell 48. SEEG bietet die Möglichkeit, diese Wissenslücke zu adressieren. Darüber hinaus kann SEEG verwendet, um die Funktion der verschiedenen Regionen des limbischen Systems zu demonstrieren, eine Sammlung von tiefen kortikalen und subkortikalen Strukturen Verarbeitungs Emotion, Schmerz, Angst und negative beteiligt beeinflussen. Eine solche SEEG Studie, die die Reaktion des limbischen Systems zu ausdrucksstarken Gesichtern hat gezeigt, dass der Hippocampus und Amygdala enthalten spezifische neuronale Populationen, die gerne von ängstlichen Gesichter zu unterscheiden, während die Amygdala neuronaler Populationen scheinen die subjektive Beurteilung dieser emotionalen Gesichtern 49 zu verfolgen. Dysfunktion in diesen Regionen wird angenommen, dass in anxi beteiligt seinschaft Störungen 50 einschließlich Zwangsstörungen 51 und SEEG Studien bieten die Möglichkeit, die betroffenen Nervenbahnen und Pathophysiologie dieser Erkrankungen im Detail zu verstehen.

Darüber hinaus kann SEEG genutzt werden, um die Precuneus, eine Website, die oft während SEEG Epilepsie Untersuchungen ausgerichtet ist, aber selten mit subduralen Gitter Implantate abgedeckt zu untersuchen. Die Funktion dieser Region des postero-medialen Scheitellappen ist wenig bekannt, vor allem wegen seiner anatomischen Lage tief in den Interhemisphärenspalt. Funktionelle Bildgebung Studien haben gezeigt, dass die Precuneus im "Standardmodus" oder bewussten Ruhezustand 52, in der Selbstverarbeitung 53-55 aktiv und in episodischen Gedächtnis Verarbeitung, einschließlich der für die autobiographischen Erinnerungen 56,57. Da diese Ergebnisse basieren auf begrenzten Studien bei nicht-menschlichen Primaten und Menschen, unser Verständnis der Neuroco basiertgnitive Bedeutung dieser Region ist nach wie vor in den Kinderschuhen 58. Mit SEEG, jetzt haben wir das Potenzial, um die neuronale Aktivität im Precuneus an wachen Menschen, die neue Einblicke in die Funktion dieser Hirnregion bieten kann untersucht werden.

Wie bei jeder Technik, hat SEEG Einschränkungen sowohl in der Übernahme und Nutzung. Als klinische Technik ist es notwendig sowohl die Auswahl der Patienten und dem klinischen Natur der Epilepsie des Patienten beschränkt. Während die Forscher eine Reihe von Aufgaben zu entwerfen, um diese Einschränkung zu umgehen, werden die anatomischen Regionen studiert immer von der operativen Planung beschränkt. Darüber hinaus, wie bereits erwähnt, SEEG Rekord lokalen Feldpotentiale, die die summierten synaptischen Potentiale vieler Nervenzellen darstellen. Damit diese Technik nicht die räumliche Auflösung der einzelnen Neurons Aufnahmetechniken und kann keine Daten auf spiking Aktivität oder Aktionspotentialwellenformen bieten. Als solcher, bei der Gestaltung Aufgaben investigate wissenschaftliche Fragen ist es wichtig, um sicherzustellen, dass LFP-Daten können die Frage von Interesse zu beantworten.

In diesem Papier, SEEG wurde zur tiefen kortikalen und subkortikalen Strukturen, die bisher schwer zu wachen Probanden zu untersuchen waren zu untersuchen. Diese Studien haben das Potenzial, unser Verständnis der menschlichen kognitiven Prozesse zu verbessern. Wie SEEG wird zunehmend als Instrument im Arsenal der Epilepsie Programme integriert, die Möglichkeit von Neurowissenschaftlern sein Potenzial, das menschliche Gehirn wird deutlich wachsen studieren zu nutzen.

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Disclosures

Die Autoren haben keinen Interessenkonflikt offen zu legen.

Acknowledgments

Die Autoren haben keine Bestätigungen oder finanzielle Angaben.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Trigger I/O cable Natus Medical Inc. 5029 PS2 to BNC cable
BNC cables for analog pulses Can be ordered from most electronics stores.
Power strip with surge protection and battery backup Tripp Lite SMART500RT1U UPC Power source and backup
National instruments multifunctional daq data acquisition box NI PCIe-6382 DAQ cards National Instruments PCIe-6382 w/ BNC 2090A PCI cards for behavioral control interface
Custom made button box - human interface device Any human interface device with three buttons may be used. Alternatively, 3 keyboard buttons may be used.
Xltek 128 channel clinical intracranial EEG monitoring system EMU128FS Natus Medical Inc. 002047c Clinical recording system
Subject monitor and associated cables for visual stimulus presentation Dell U2212HMc Most Monitors are adequate here.
Personal comptuer running behavioral software with DAQ cards installed Superlogics SL-2U-PD-Q87SLQ-BA Computer for recording neural data
Mains cable for monitor Usually comes with the monitor, can be purchased at any electronics store.
Monkey Logic software which runs on Matlab 2010A Free from MonkeyLogic website
MATLAB 2010a software with data acquisition toolbox Mathworks Matlab software
sEEG electrodes AD TECH or PMT AD TECH 2102-##-101 Platinum tip, diameter (0.89 mm, 1 mm, 1.1 mm), uninsulated length 2.3 mm; The ## in the catalog number indicates the number of contacts on the electrode (08, 10, 12, or 16)
Cabrio connectors PMT 2125-##-01 The ## in the catalog number indicates the number of contacts on the electrode (08, 10, 12, or 16)
Tucker Davis Technologies Amplifier Tucker Davs Technologies PZ5 preamplifier for neural data
Tucker Davis Technologies processor Tucker Davs Technologies RZ2 Neural signal processor for neural data
TuckerDavis Technologies data streamer Tucker Davs Technologies RS4 Data streamer and storage
Fiber optics cables to connect TDT systems Tucker Davs Technologies F05 Fiber optic cables for connecting Tucker Davis Technologies' prodcuts.
ribbon cable and snap serial connector for digital markers Can be ordered from ost electronics stores.
personal computer fro running TDT RPvdsEx and OpenEx software Superlogics SL-2U-PD-Q87SLQ-BA computer for behavioral control
middle atlantics server cabinet with casters Middle Atlantic Products PTRK-21 Server case to house all of the research items
Tucker Davis Technologies splitter box to split clinical and research recrodings Tucker Davs Technologies This splitter box is a semi-custom device. Researchers should consult the attending neurologists about splitting the research and clinical recordings in a way that doesn't interfere with clinical care.
Researcher monitor with requisite cables Dell U2212HMc Most Monitors are adequate here.
button box power source - 5 volts, 2 amperes Can be purchased at any electronics store.
TDT optical interface PCI card Tucker Davs Technologies P05

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Neuroscience Ausgabe 98 Epilepsie stereotaktische Elektroenzephalographie anterioren cingulären Cortex lokale Feldpotential Elektrodenplatzierung
Die Untersuchung der Funktion von Deep kortikalen und subkortikalen Strukturen Mit Stereotaktische Elektroenzephalographie: Lehren aus der anterioren cingulären Cortex
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McGovern, R. A., Ratneswaren, T.,… More

McGovern, R. A., Ratneswaren, T., Smith, E. H., Russo, J. F., Jongeling, A. C., Bateman, L. M., Schevon, C. A., Feldstein, N. A., McKhann, II, G. M., Sheth, S. Investigating the Function of Deep Cortical and Subcortical Structures Using Stereotactic Electroencephalography: Lessons from the Anterior Cingulate Cortex. J. Vis. Exp. (98), e52773, doi:10.3791/52773 (2015).

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