Summary
Stereotassica elettroencefalogramma (SEEG) è una tecnica operatoria utilizzata nella chirurgia dell'epilessia per aiutare a localizzare il sequestro foci. Esso offre anche un'occasione unica per studiare la funzione del cervello. Qui si descrive come SEEG può essere usato per studiare i processi cognitivi in soggetti umani.
Abstract
Stereotassica elettroencefalogramma (SEEG) è una tecnica utilizzata per localizzare sequestro focolai nei pazienti con epilessia intrattabile medico. Questa procedura comporta il posizionamento cronica di elettrodi multipli di profondità in regioni del cervello normalmente inaccessibile via subdurale posizionamento degli elettrodi della griglia. SEEG offre quindi un'opportunità unica per studiare la funzione del cervello. In questo articolo mostriamo come SEEG può essere utilizzato per studiare il ruolo della corteccia cingolata anteriore dorsale (DACC) nel controllo cognitivo. Includiamo una descrizione della procedura SEEG, dimostrando il posizionamento chirurgico degli elettrodi. Descriviamo i componenti e processi necessari per registrare il potenziale campo locale (LFP) dati dal consenso soggetti mentre sono impegnati in un compito comportamentale. Nell'esempio fornito, i soggetti svolgono un compito interferenza cognitiva, e ci dimostrano come i segnali vengono registrati e analizzati dagli elettrodi nel anteriore dorsale corteccia cingolata, una zona intimtamente coinvolti nel processo decisionale. Si conclude con ulteriori suggerimenti di modi in cui questo metodo può essere usato per studiare processi cognitivi umani.
Introduction
Epilessia, un disturbo neurologico comune caratterizzata da molteplici crisi ricorrenti nel corso del tempo, rappresenta l'1% del carico mondiale di malattie 1. Farmaci anti-epilettici non riescono a controllare le crisi in 20 - 30% dei pazienti 2,3. In questi pazienti medicalmente intrattabili, chirurgia dell'epilessia è spesso indicata 4,5. La decisione di procedere con un intervento chirurgico necessario localizzare la messa a fuoco di sequestro, un prerequisito per la formulazione di un piano chirurgico. Inizialmente, le tecniche non invasive vengono utilizzati per lateralizzano e localizzare la messa a fuoco di sequestro. Elettroencefalografia (EEG), ad esempio, misure di attività elettrica corticale registrato da elettrodi posti sul cuoio capelluto e che spesso può fornire informazioni sufficienti circa la posizione della messa a fuoco di sequestro. Inoltre, la risonanza magnetica (MRI) in grado di dimostrare le lesioni discrete, come sclerosi ippocampale, la classica patologia visto nella forma più comune di epilessia intrattabile medico, mesiale temporal epilessia del lobo (MTLE).
Spesso, tuttavia, il workup invasivo è in grado di identificare un focus grippaggio. In questi casi, elettrocorticografia invasiva (ECoG) con elettrodi intracerebrali è necessario per localizzare la messa a fuoco e guidare ulteriore trattamento chirurgico 6. ECoG è una tecnica neurofisiologico utilizzata per misurare l'attività elettrica utilizzando elettrodi posti a diretto contatto con il cervello. Griglie o strisce di superficie (subdurali) elettrodi sono disposti sopra la superficie del cervello, un processo che richiede una craniotomia (rimozione di un lembo osseo) e grande apertura della dura. Questi elettrodi superficiali possono essere posizionati sopra la zona putativo (s) di grippaggio insorgenza. Le estremità distali degli elettrodi sono tunnel attraverso piccole aperture nella pelle e collegati alle apparecchiature di registrazione nell'unità di monitoraggio epilessia (EMU). Nel EMU, il paziente viene monitorato per l'attività di sequestro clinica attraverso il video continua e registrazioni ECOG. Questa tecnica is utile per la raccolta a lungo termine (giorni o settimane) registrazioni di ictale e scariche elettriche interictali sopra relativamente grandi aree della superficie corticale. Mentre queste registrazioni intracraniche hanno un valore inestimabile per lo studio clinico di sequestro focolai e la propagazione, forniscono anche noi con la possibilità di studiare la funzione cognitiva e neurofisiologia nell'uomo sottoposti a compiti comportamentali specificamente progettati.
ECoG utilizzando elettrodi della griglia subdurali è stato utilizzato per studiare i vari aspetti della funzione corticale, tra cui l'elaborazione sensoriale e la lingua. Come uno dei molti esempi, Bouchard et al hanno dimostrato il coordinamento temporale della muscolatura orale nella formazione di sillabe per la lingua parlata nel sensorimotor corteccia ventrale, una regione identificata come il discorso umano corteccia sensomotoria 7. Inoltre, ECoG con il posizionamento della griglia subdurale è stato anche utilizzato per studiare i meccanismi attraverso i quali gli esseri umani sono in grado di Attend ad una particolare voce all'interno di una folla: il cosiddetto 'effetto cocktail' 8,9. Registrazioni ECOG hanno dimostrato che ci sono due gruppi neuronali distinti che traccia in modo dinamico i flussi di discorso, sia a bassa frequenza e di fase di alta gamma oscillazioni di ampiezza, e che ci sono siti di elaborazione distinti - uno del sito 'modulazione' che tiene traccia di entrambi i diffusori, e una 'selezione' sito che tiene traccia del oratore partecipato 5.
Un'altra applicazione emergente di ECoG con posizionamento degli elettrodi subdurale è il potenziale per l'uso con Cervello Computer Interfaces (BCIS), che "decodifica" attività neuronale al fine di guidare l'uscita esterna. Questa tecnologia ha il potenziale di consentire pazienti con cerebrali o lesioni del midollo spinale per comunicare con il mondo e manipolare protesi 10,11.
Mentre il posizionamento della griglia subdurale ha contribuito notevolmente alla nostra comprensione di superaree corticali ficiali ed è utile per identificare foci epilettogene corticali, questa tecnica richiede una craniotomia e dei suoi rischi connessi, ed è generalmente limitata a studiare la superficie esterna del cervello. Elettroencefalografia stereotassica (SEEG) è una tecnica che consente la valutazione del profondo foci epilettogeno 12. Con una lunga storia di uso in Francia e in Italia, è anche sempre più utilizzato negli Stati Uniti 13. SEEG prevede il posizionamento di elettrodi multipli (tipicamente 10-16) in profondità all'interno la sostanza del cervello attraverso piccole (pochi mm) fori elicoidale bava. Vantaggi di SEEG oltre placement griglia subdurale sono la sua natura meno invasiva, la facilità di esaminare emisferi bilaterali quando richiesto, e la capacità di generare mappe tridimensionali di propagazione delle crisi. Inoltre, questi elettrodi permettono l'identificazione dei foci profonda epilettogeni che erano precedentemente difficile identificare con elettrodi di superficie. Questa procedura inoltre provides la possibilità di esaminare la neurofisiologia e la funzione delle strutture corticali profonde, come il sistema limbico, corteccia mesoparietal, la corteccia mesotemporal, e la corteccia orbitofrontale, tutti erano precedentemente difficile indagare direttamente nell'uomo.
Questo documento dimostra come SEEG può essere utilizzata per studiare la funzione cognitiva nella dorsale corteccia cingolata anteriore (DACC). Il DACC è una regione del cervello ampiamente studiati, ma è anche uno dei più scarsamente compreso. Considerato una regione significativo per cognizione umana, è probabile che il DACC è centrale al trattamento neurale dinamica delle decisioni nel contesto del continuo mutevoli esigenze imposte dall'ambiente 14. Gli studi in entrambi i primati 15,16 e gli esseri umani 17 suggeriscono che il DACC integra potenziali rischi e benefici di una data azione, soprattutto in situazioni di conflitto multiple simultanee richiede 18-21, e modulates queste decisioni nel contesto delle azioni precedenti e dei loro risultati 14,22,23.
L'interferenza Multi-Source Task (MSIT), un compito comportamentale Stroop-like, è spesso utilizzato per studiare l'elaborazione conflitto in DACC. Il compito MSIT attiva il DACC reclutando neuroni coinvolti in più domini di lavorazione regolamentati dalla DACC 24,25. Questo compito si attiva specificamente il DACC testando le caratteristiche del processo decisionale, il rilevamento di target, la rilevazione della novità, il rilevamento degli errori, la selezione di risposta, e la concorrenza di stimolo / risposta. Inoltre, il compito MSIT introduce molteplici dimensioni di interferenza cognitiva, che vengono utilizzati in questo studio per indagare DACC risposte neurali a stimoli contrastanti simultanei utilizzando SEEG.
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Protocol
Assicurarsi che ogni paziente è rivisto per l'idoneità per lo studio di ricerca, ed i pazienti appropriati deve essere consentito per la partecipazione allo studio in base alle procedure IRB locali.
1. Selezione dei pazienti per SEEG e della Ricerca
- Selezione dei pazienti per SEEG
Nota: pazienti con epilessia devono essere clinicamente valutati da un team multidisciplinare composto da epileptologists, neuropsicologi e neurochirurghi.- Assicurarsi che il paziente ha l'epilessia focale medicalmente refrattaria, definita come mancata risposta ad almeno 2 prove sufficienti di farmaci anti-epilettici.
- Assicurarsi che le tecniche non invasive non sono riusciti a localizzare il foci epilettogeno.
- Confermare con il team multidisciplinare che il paziente non è adatto per le indagini solo con elettrodi della griglia subdurali.
- Confermare con il team multidisciplinare che non vi è il sospetto clinico di una zona di crisi profonda esordio.
<li> La selezione dei pazienti per l'attività di ricerca - Assicurarsi che soggetto è di età compresa tra 13 e 65 anni tra.
- Ottenere il consenso o assenso (con il consenso dei genitori, se di età inferiore ai 18 anni) dal paziente.
- Assicurarsi che i soggetti siano in grado di partecipare al compito e cooperare con il test.
2. Preparazione e tecnica di impianto
- Eseguire un T2 volumetrico e un contrasto migliori volumetrico T1 MRI prima dell'intervento e trasferire le immagini al software di navigazione stereotassica, secondo il protocollo del produttore.
- Pianificare gli obiettivi di elettrodi di profondità in base alla risonanza magnetica e il sospetto clinico di sequestro foci.
Nota: Gli esempi forniti sono basati sul software di navigazione BrainLab e sono quindi specifici per questo sistema. Tuttavia, qualsiasi software di navigazione stereotassica può essere utilizzato per progettare profondità traiettorie elettrodi e posizionamento. - Definire la regione anatomica di interesseil punto di destinazione all'interno della funzione "Pianificazione stereotassica" nel software di navigazione stereotassica.
- Ad esempio, utilizzare DACC come destinazione di interesse. Per definire la sua traiettoria, premere "Nuovo Traiettoria", quindi premere "target" e fare clic sul DACC. Centrare il bersaglio al centro di DACC esaminando DACC in tutti e 3 piani (assiale, coronale e sagittale) e cliccando sul mezzo di DACC in ogni piano.
- Definire il punto di ingresso sul cuoio capelluto all'interno della funzione "Pianificazione stereotassica" nel software di navigazione stereotassica.
- Ad esempio, scegliere un punto sul cuoio capelluto che sembra essere il percorso più breve per il DACC. Premere "ingresso" e scegliere il punto sul cuoio capelluto per fare il punto di ingresso.
- Fare clic e trascinare il "bersaglio" e "voce" punti per modificare la traiettoria definita per evitare di strutture vascolari corticali e subcorticali così come ogni potenziale ce eloquenteregioni rebral.
- Ripetere l'operazione per tutti i target di elettrodi di profondità pianificati (Figura 1).
- Ammettere il paziente la mattina della chirurgia, portare in sala operatoria, e indurre sotto 26,27 generale anestesia.
- Collegare un Cosman-Roberts-Wells (CRW) castelletto stereotassica alla testa del paziente con viti cranio.
- Ottenere un CT volumetrico con il castelletto in luogo.
- Caricare i volumetrici immagini TC e RM nel software di navigazione stereotassica tramite la "Carica e Importa" funzione.
- Fare clic sulla funzione "Localizzazione" all'interno del software di navigazione stereotassica.
- Localizzare il castelletto CRW cliccando su tutte le immagini definiti dal software di navigazione stereotassica come contenente il castelletto e poi premendo il pulsante "Assegna localizzatore".
- Fare clic sulla funzione "Localizzazione / PC AC" all'interno del software di navigazione stereotassica.
- Identify commissure anteriore e posteriore in base alla loro posizione anatomica.
- Designare anteriore e posteriore commissure tramite la funzione "Imposta di sistema / PC AC" all'interno del software di navigazione stereotassica.
- Fare clic sulla funzione "Immagine Fusion" all'interno del software di navigazione stereotassica.
- Unire le immagini CT con le immagini di risonanza magnetica nel software di navigazione stereotassica 28,29. Clicca sul CT volumetrico abbinato e immagini MRI sotto la scheda "Fusion" e quindi fare clic su "Auto Fusion".
Nota: Questo pone la risonanza magnetica all'interno delle coordinate stereotassica telaio. - Fare clic sulla funzione "Pianificazione stereotassica" all'interno del software di navigazione stereotassica e confermare le traiettorie previste dalla procedura 2.1.2 - 2.1.6.
- Scegliere il CT volumetrica come riferimento stereotassica nella scheda "Funzioni stereotassici".
- Fare clic sull'icona "print" in tegli colonna verticale di icone per stampare le coordinate finali stereotassica per ogni profondità elettrodo traiettoria 30,31.
- Pianificare gli obiettivi di elettrodi di profondità in base alla risonanza magnetica e il sospetto clinico di sequestro foci.
- Tecnica di impianto
- Ritorna il paziente in sala operatoria seguendo la TAC.
- Preparare e drappeggio campo chirurgico utilizzando metodi sterili di routine 32,33.
- Assicurarsi che un fluoroscopio è in sala operatoria e drappeggiato insieme al resto del campo chirurgico.
- Utilizzando le coordinate stereotassica stampati da punto 2.1.20, impostare le coordinate per il primo elettrodo approfondita sul castelletto.
Nota: Le coordinate stereotassica sono riportati in 3 piani: laterale (x), verticale (y) e antero-posteriore (z). Ad esempio, le coordinate stampati per un obiettivo a destra DACC sono 48,2 millimetri AP, 6,6 millimetri e 2,2 millimetri laterale verticale. Il castelletto è quindi impostato su quelle coordinate di conseguenza. - Estrarre il guideblock fino alla pelle e segnare la posizione del foro bava sulla sCALP con un pennarello. Fissare il guideblock in luogo sulla base delle coordinate stereotassica e, come tale, non punti di riferimento sono necessari per marcare l'incisione.
- Iniettare 2 - 3 ml di 0,5% bupivicaina in una diluizione 1: 100,000 di epinefrina nel marcato incisione.
- Fare un nick nel cuoio capelluto con un bisturi fino al cranio nel marcato incisione.
- Cauterizzare il derma e dei tessuti profondi con cauterizzazione monopolare diretto con un otturatore rivestito per ridurre al minimo qualsiasi sanguinamento dalle navi in pelle o tessuto sottocutaneo.
- Praticare un foro cranico con una torsione punta 2,1 millimetri nel mezzo dell'incisione.
- Aprire la dura con una sonda otturatore rigido. Vite un bullone di ancoraggio nel cranio. Inserire una sonda mandrino pre-misurata attraverso il bullone di ancoraggio per fare una pista per l'elettrodo.
- Avanzare con cautela l'elettrodo alla profondità pre-calcolato. Serrare il tappo bullone di ancoraggio per fissare l'elettrodo.
- Ripetere questo processo per tuttigli elettrodi di profondità.
- Posizionare il fluoroscopio sotto e circonda la testa del paziente sia AP e piani laterali per ottenere immagini fluoroscopiche garantire adeguate traiettorie posizionamento di tutti gli elettrodi.
- Collegare gli elettrodi al sistema EEG clinica per verificare impedenze appropriate.
- Wake il paziente dall'anestesia e il trasporto al pronto recupero, e, successivamente, per l'UEM.
- Nel EMU, monitorare il paziente tramite monitoraggio a circuito chiuso per la crisi cliniche e via ECoG prove elettrografica di convulsioni.
3. Behavioral Task e acquisizione dati
- Compito comportamentale
- Aprire il software comportamentale sul computer dedicato esclusivamente di eseguire il software comportamentale.
Nota: Le istruzioni fornite si basano su MonkeyLogic, un toolbox MATLAB progettata per la presentazione e l'esecuzione di temporalmente precisi compiti psicofisici 34,35 e sono quindi specific a quella piattaforma software comportamentale. Questo programma viene eseguito su Matlab versione 2010a e richiede la "Data Acquisition Toolbox." Tuttavia, qualsiasi piattaforma software comportamentale in grado di presentare stimoli visivi e la registrazione dei dati elettrofisiologici potrebbero essere utilizzati. - Impostare il file condizioni progettato per eseguire l'attività MSIT di includere tutti e quattro i tipi di prova di pari frequenza.
Nota: Il compito MSIT consiste nella presentazione del soggetto con una stecca di tre numeri fra 0 e 3, dove due dei numeri, i "distrattori", sono le stesse e un numero, il 'bersaglio', è diverso.- Istruire il soggetto di identificare il 'bersaglio' premendo il tasto corrispondente una casella tasto. Se '1' è l'obiettivo, il tasto sinistro è la scelta giusta. Se '2', il tasto centrale, e se, il tasto destro '3'. '0' non corrisponde a un pulsante possibile (Figura 2).
- Premere il pulsante "Set condizioni" e scegliere il file desiderato condizioni impostato nel passo precedente.
Nota: Ci sono due tipi di disturbi cognitivi che inducono il conflitto durante il processo decisionale. Prove di interferenza Flanker si verificano quando i distrattori sono possibili (1, 2, o 3, invece di 0) scelte pulsante (ad es., 121), mentre le prove di interferenza spaziale si verificano quando posizione spaziale del numero di destinazione è diversa dalla posizione di risposta (ad esempio, 200 , in cui il pulsante centrale è la risposta corretta, nonostante il fatto che il numero di destinazione sia nella posizione a sinistra). Ci sono quattro tipi di prova in base alla presenza o assenza di questi due tipi di interferenza. - Testare il monitor comportamentale schermo cliccando su "Test" nella casella di visualizzazione. Il monitor display dovrebbe mostrare lo stimolo visivo di prova per 2 - 3 sec.
- Collegare il dispositivo di interfaccia soggetto (pulsantiera) agli ingressi analogici sui datischeda di acquisizione sul computer dedicato per la registrazione dei dati elettrofisiologici attraverso tre cavi standard BNC.
- Collegare la scatola pulsante a una fonte di alimentazione.
- Collegare la scheda di acquisizione dati al processore da 512 canali del segnale neurale attraverso un cavo a nastro diviso in 9 nastri. 8 dei nastri sono collegati alle porte 0-7 sulla parte I / O della scheda di acquisizione dati, mentre il 9 ° nastro è collegato alla porta 0 sulla porzione PFI digitale della scheda di acquisizione dati.
Nota: I nastri inviano marcatori 8 bit digitali (porte 0-7, I / O digitale) e di un impulso strobo (porta 0, PFI digitale), al processore di segnale neurale. - Impostare la frequenza di campionamento desiderata nel software del processore di segnale neurale.
- In questo esempio, impostare la frequenza di campionamento desiderata a 50.000 campioni al secondo, alias e down-campione in linea a 1.000 campioni al secondo. Regolare la frequenza di campionamento per soddisfare gli obiettivi specifici del compito. Sincronizzazione di precisione sub-millisecondorichiede un tasso di campionamento estremamente elevato.
- Collegare l'amplificatore al processore di segnale neurale via cavo in fibra ottica.
- Collegare il processore di segnale neurale al streamer dati e la scheda PCI ottica nel neurale del computer di acquisizione dati via cavo in fibra ottica.
- Acquisizione dati
- Utilizzare l'impianto di ricerca per l'UEM elettrofisiologia contiene un processore di segnale neurale 512 canali per l'elaborazione e il filtraggio digitale, pre-amplificato segnali elettrici dagli elettrodi di profondità.
Nota: Mentre ci sono 512 canali di elaborazione, in pratica, non sono mai più di 15 - 20 elettrodi posti per scopi clinici. Pertanto, si consiglia di registrare da un numero di elettrodi come fattibile come dimensione dei dati e risoluzione spaziale non è mai un problema. - Trasportare il rig alla stanza del paziente, posizionare il monitor comportamentale di fronte al paziente su un tavolo portatile e connettersi al computer di controllo del comportamentoche esegue il software comportamentale utilizzando un cavo DVI standard.
- Inserire l'impianto di registrazione dietro o al lato del letto del paziente al fine di rimanere più discreto possibile.
- Collegare il sistema di ricerca nella casella di divisione che separa la registrazione di ricerca dal sistema clinico.
- Parametri di registrazione di controllo utilizzando il software di elaborazione di segnale neurale 34,35.
Nota: Questo sistema consente il controllo sub-millisecondi sugli eventi comportamentali 34,35. La sincronizzazione tra i dati neurali e comportamentali può essere realizzato sia con impulsi analogici codificanti per eventi di attività o marcatori digitali. Entrambi i segnali possono essere inviati da entrambi le uscite digitali o analogiche sulla scheda di acquisizione dati alla ingressi analogici o digitali sul processore di segnale neurale. - Consegnare al paziente il dispositivo di interfaccia soggetto (pulsantiera) e dare istruzioni attività.
- Fare clic su "Esegui" per eseguire l'operazione.
- Lasciare che il pazientecompletare 2 blocchi di 150 prove ciascuno.
- Utilizzare l'impianto di ricerca per l'UEM elettrofisiologia contiene un processore di segnale neurale 512 canali per l'elaborazione e il filtraggio digitale, pre-amplificato segnali elettrici dagli elettrodi di profondità.
Analisi 4. Dati
- Pacchetto software Open che permette la visualizzazione dei dati elettrofisiologici.
Nota: le istruzioni fornite di seguito sono specifiche per Matlab versione 2010a ma qualsiasi software che permette la visualizzazione e la manipolazione dei dati elettrofisiologici possono essere utilizzati. - Il file .edf aperto contenente dati elettrofisiologici grezzi dalla sessione di prova.
- Visualizza il segnale SEEG dalla sessione per garantire che non vi è alcun artefatto visibile come scariche epilettiformi o artefatti da movimento (Figura 3A).
- Sovrapporre gli impulsi di temporizzazione del compito comportamentale sulla traccia LFP grezzo (figura 3B) per illustrare come gli impulsi analogico può delineare la struttura di prova.
- Utilizzando gli impulsi di temporizzazione, allineare la traccia SEEG alla presentazione spunto per ogni prova (Figura 3C).
- Rimuovere outlier (> 4 deviazioni standard)e artefatto tracce (Figura 3D).
- Salvare tutti i processi allineati in una matrice per ulteriori analisi (20 prove mostrate accatastati nella Figura 3E).
- Attività media LFP attraverso prove per ridurre effetto del rumore, artefatto, o attività EEG non attinenti alle stimoli presentati, e per aumentare il segnale di interesse (figura 3F).
- Creare il, spettrogramma trial-media prima con multi-conico analisi spettrale 36-38.
Nota: Analisi tempo-frequenza può essere utilizzata per studiare la dinamica spettro-temporali specifici in studi singoli o multipli. Questo metodo consente l'indagine oscillazioni neuronali a diverse frequenze nel tempo. - Pad il segnale da ogni prova con zeri alla prossima grande potenza di 2 per evitare effetti di bordo.
- Applicare una finestra 800 ms scorrevole con 5 conicità principali ed un time-banda di 9 ogni 10 ms per tutta la durata del segnale per creare le specifichetrogram (Figura 4A).
- Moltiplicare il registro dello spettrogramma del 10 e normalizzare per visualizzare le informazioni di frequenza più alta.
Nota: Spettrogrammi può essere normalizzato da una distribuzione di frequenza teorica (cioè, ciascun valore di frequenza elevato alla 2a potere negativo) (Figura 4B), lo spettro medio di qualche attività basale (Figura 4C), o dividendo per la media e sottraendo il deviazione standard dei valori in ciascuna banda di frequenza (Figura 4D). Questa procedura consente per l'esame delle bande di frequenza specifiche in entrambe le forme prime e normalizzati nel tempo per le modifiche specifiche per il compito. Ad esempio, l'attivazione alta gamma banda (70 - 150 Hz), che è mostrato in figura 3E, è pensato per riflettere l'attività eccitatoria locale della popolazione neuronale locale che circonda l'elettrodo 39,40.
- Aprire il software comportamentale sul computer dedicato esclusivamente di eseguire il software comportamentale.
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Representative Results
Una volta che il paziente è stato selezionato per SEEG posizionamento degli elettrodi, lui / lei subisce un T2 e T1 contrasto volumetrico maggiore risonanza magnetica. Seeg traiettorie elettrodi sono poi previsti utilizzando la navigazione stereotassica delle sequenze RM volumetrici (Figura 1). Questa tecnica permette la raccolta dei potenziali di campo locale da strutture profonde all'interno della corteccia come dorsale anteriore cingolo (luce arancione traiettoria, Figura 1), che non sarebbe possibile con tipica posizionamento degli elettrodi di superficie. Post-operatorio nella UEM, il paziente esegue la Multi-Source Interference Task (figura 2), destinato ad attivare i neuroni DACC. Dopo un numero adeguato di prove, i potenziali dati di campo locale dagli elettrodi Seeg in DACC vengono preparati in modo da allineare i dati LFP a presentazione spunto per la successiva analisi significativa (Figura 3). Inoltre, una volta allineati, i dati LFP possono essere mediati per esaminare chaNGES nella risposta elettrofisiologica media tra tipologie di prova (figura 3F). Successivamente, spettrogrammi multi-conici sono fatti per studiare variazioni di bande di frequenza nel tempo (Figura 4). Come gli studi cuoio capelluto EEG hanno coinvolto diverse bande di frequenza nell'attività visto in DACC, analisi tempo-frequenza è un metodo importante per collegare i cambiamenti elettrofisiologici in DACC con il comportamento.
Figura 1. pianificati SEEG elettrodi Traiettorie Uso stereotassica navigazione volumetrica T1 Contrast Enhanced MRI. Pannello superiore sinistra. Top down vista di faccia tridimensionale ricostruito con sovrapposti previste traiettorie elettrodi Seeg. In alto a destra, in basso a sinistra, e pannelli in basso a destra. Axial, viste sagittali e coronali di traiettorie previste elettrodi SEEG sovrapposti su MRI del paziente. Arancionetraiettorie elettrodi rappresentano l'impianto nella corteccia cingolata anteriore bilaterale. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2. La Interference Task Multi-Source. Inizialmente, il soggetto si fissa su una croce nel centro dello schermo prima della stecca viene mostrato. Lo spunto viene poi presentato e il soggetto deve identificare il numero di "target", che è il numero uno diverso dagli altri due numeri presentati. Il soggetto indica la scelta con un pulsante: tasto sinistro, se l'obiettivo è "1", se di mezzo "2" ea destra se "3." In questo esempio, se il soggetto preme il tasto centrale, lui / lei è indicato il numero "2" in verde, indicando lui / lei fecila scelta corretta. Se lui / lei sceglie uno degli altri pulsanti, "2" viene visualizzato in rosso, che indica una scelta errata. I soggetti sottoposti anche prove in cui non ricevono un feedback a valenza della loro scelta, nel qual caso il "2" è mostrato in blu indipendentemente dal fatto che la scelta sia corretta o meno. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3. Pre-elaborazione dei dati SEEG. (A) Tutti i dati registrati da un singolo canale nel DACC. (B) A minuto di registrazione a lungo dalla corteccia cingolata anteriore con impulsi di temporizzazione sovrapposte per l'attività comportamentale. (C) I dati per ogni prova allineati sulla presentazione stecca. (D) I dati per ogniprocesso allineato sulla presentazione stecca con valori anomali e artefatti tracce rimossi. (E) LFP da 20 trials allineati su presentazione stecca e impilati. F. Averaged LFP allineato presentazione spunto da un elettrodo prefrontale mediale. Le linee tratteggiate rappresentano l'inizio del punto di fissazione. Le linee tratteggiate rappresentano l'esordio stecca. Dash-punteggiato linee rappresentano il tempo medio di risposta. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 4. Analisi spettrale. (A) Raw trial-media multi-cono spettrogramma allineato al momento giusto. (B) Lo stesso spettrogramma in A normalizzato di 1 / f 2. (C) La stessa spettrogramma in A normalizzato dallo spettro media da 500 millisecondi beforvia e la stecca. (D) La stessa spettrogramma in (A) normalizzata da banda di frequenza. (E) Media alto potere gammaband per spettri normalizzata e non normalizzato. In tutti i grafici, le linee tratteggiate rappresentano l'inizio del punto di fissazione, linee tratteggiate rappresentano l'insorgenza cue, e linee precipitare-punteggiate rappresentano il tempo medio di risposta. Colorate barre indicano le fasce alte di gamma utilizzate in (E). Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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Discussion
In questo documento SEEG stato usato per studiare l'attività delle popolazioni neuronali locali all'interno DACC durante un compito decisionale negli esseri umani. Il lavoro precedente ha indagato l'attività di singoli neuroni nel DACC utilizzando registrazioni microelectode intraoperatorie 14 e dimostrato che l'attività DACC è modulata dall'attività precedente. Studi di microelettrodi consentono l'indagine dell'attività incurvamento dei singoli neuroni. SEEG misura LFPs, che sono collegati ai potenziali sinaptici sommati in una vasta popolazione di neuroni. SEEG permette quindi l'opportunità di studiare simultaneamente l'attività neuronale popolazione da diverse regioni del cervello.
Quando si utilizza una tecnica clinico come SEEG per indagare questioni scientifiche, è fondamentale per garantire in primo luogo che i piani operativi e di ricerca sono allineati. Il problema clinico da risolvere riguarda la determinazione zona sequestro esordio del paziente e will sempre la precedenza. Poiché il piano operativo è dettata dalla necessità clinica, non sarà sempre possibile studiare lo stesso problema di ricerca con ogni caso. Così, abbiamo sviluppato una serie di attività volte a rispondere a domande scientifiche indipendenti che possono essere adattate al piano operativo del paziente a seconda delle regioni di essere interrogati con elettrodi.
In questo studio, i dati SEEG LFP è stato utilizzato per studiare controllo cognitivo over obiettivo comportamento diretto nella dorsale anteriore corteccia cingolata, una struttura corticale profonda nella regione prefrontale mediale che è difficile da indagare nell'uomo. Acquisizione dati LFP può essere effettuata con molti sistemi diversi. Un aspetto importante da considerare è la frequenza di campionamento in quanto questo deve essere sufficientemente alta da acquisire i segnali in cui il ricercatore è interessato. In generale, la velocità di campionamento dovrebbe essere quattro volte superiore alla banda di frequenza più alta all'esame. Ad esempio, se la ricercaer è interessato a guardare potenziali evocati (<50 Hz), la frequenza di campionamento deve essere solo circa 200 campioni / s. Tuttavia, se la questione scientifica comporta l'esame dell'attività gamma alta (60 - 200 Hz), la frequenza di campionamento deve essere di almeno 500 campioni / s. Inoltre, il sistema deve essere in grado di registrare abbastanza elettrodi vengono impiantati, e filtri hardware del sistema di acquisizione dati non dovrebbe escludere bande di frequenza di interesse. Ad esempio, molti sistemi non registrano segnali in corrente continua. Se il ricercatore è interessato a studiare segnali molto lenti, lui / lei dovrebbe usare un sistema di registrazione con un filtro hardware adeguatamente basso passa-alto. Durante la fase di analisi dei dati, è importante rimuovere prove con transienti molto grandi o veloci e rimuovere canali o processi che presentano attività epilettiforme come normale fisiologia è molto difficile studiare in presenza di attività epilettiforme.
Il ruolo del DACC errore di previsione 23,41 15 e adattamento comportamentale nel contesto di richieste concorrenti 18-21, risposte contrastanti 42 e l'attività precedente 14,22,23, è ben stabilita. Tuttavia, una teoria unificata e integrativo per i meccanismi neurali specifiche con cui la DACC modula controllo cognitivo è ancora oggetto di congetture a causa della mancanza di prove empiriche da studi umani che indagano questi domini contemporaneamente 43,44. SEEG offre l'opportunità di indagare l'attività neurale in DACC umana e contribuire quindi ad una comprensione integrata della funzione DACC.
SEEG offre l'opportunità di indagare altre aree corticali che possono essere di difficile accesso con elettrodi di superficie, come la corteccia orbitofrontale (OFC), il cui coinvolgimento negli aspetti emotivi e ricompensa a base del processo decisionale è stato esplorato in studi con un'unica unità registrazioni in mon macacoTasti 45 e studi di connettività negli esseri umani mediante pesata in diffusione di immagini trattografia 46. Mentre questi studi hanno contribuito alla teoria della funzione OFC nell'uomo decisionale 47, vi è una scarsità di letteratura nell'uomo studiano funzione OFC specificamente 48. SEEG offre l'opportunità di affrontare questo gap di conoscenza. Inoltre, SEEG può essere utilizzata per dimostrare la funzione di diverse regioni del sistema limbico, una raccolta di profonde strutture corticali e sottocorticali coinvolte nella lavorazione emozione, il dolore, la paura e effetto negativo. Uno di questi studi SEEG indagare la risposta del sistema limbico di volti espressivi ha dimostrato che l'ippocampo e l'amigdala contengono specifiche popolazioni di neuroni che distinguono felice da volti spaventosi, mentre le popolazioni neuronali amigdala sembrano seguire il giudizio personale di questi volti emozionali 49. Disfunzione in queste regioni si crede di essere implicati in anxidisturbi ETY 50 compreso disturbo ossessivo-compulsivo, 51 e studi Seeg offrono l'opportunità di capire i percorsi neurali colpite e fisiopatologia di questi disturbi in modo più dettagliato.
Inoltre, SEEG può essere utilizzato per indagare la precuneus, un sito che è spesso di mira nel corso delle indagini epilessia Seeg, ma raramente coperto con impianti di rete subdurali. La funzione di questa regione del lobo parietale postero-mediale è poco conosciuta, soprattutto a causa della sua posizione anatomica in profondità all'interno della fessura interemisferica. Studi di imaging funzionale hanno dimostrato che la precuneus è attivo nella 'modalità predefinita' o cosciente stato di riposo 52, in sé lavorazione 53-55, e nella lavorazione della memoria episodica, anche per i ricordi autobiografici 56,57. Tuttavia, dal momento che questi risultati sono basati su studi limitati nei primati e nell'uomo non umani, la nostra comprensione della neurocoimportanza gnitive di questa regione è ancora nella sua infanzia 58. Con SEEG, ora abbiamo la possibilità di indagare l'attività neuronale nella precuneus nell'uomo sveglio, che può prevedere romanzo comprensione della funzione di questa regione del cervello.
Come con qualsiasi tecnica, SEEG ha limitazioni sia l'acquisizione e l'uso. Come tecnica clinica, è necessariamente limitata sia la selezione dei pazienti e la natura di epilessia clinica del paziente. Mentre i ricercatori in grado di progettare una serie di compiti per aggirare questa limitazione, le regioni anatomiche studiate saranno sempre limitati dal piano operativo. Inoltre, come accennato in precedenza, potenziali di campo locale di record SEEG, che rappresentano i potenziali sinaptici sommati di molti neuroni. Così, questa tecnica non ha la risoluzione spaziale di tecniche di registrazione neuroni singoli e non possono fornire dati spiking attività o azione potenziali forme d'onda. Come tale, quando si progettano i compiti a investigate questioni scientifiche, è importante assicurare che i dati LFP può rispondere alla domanda di partecipazione.
In questo documento, SEEG è stato utilizzato per indagare in profondità le strutture corticali e sottocorticali che prima erano difficili da studiare in soggetti umani svegli. Questi studi hanno il potenziale per migliorare la nostra comprensione dei processi cognitivi umani. Come SEEG è sempre accolto come uno strumento all'interno della armamentario di programmi epilessia, l'opportunità di neuroscienziati a sfruttare il suo potenziale per studiare il cervello umano crescerà significativamente.
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Disclosures
Gli autori non hanno alcun conflitto di interesse a divulgare.
Acknowledgments
Gli autori non hanno riconoscimenti o informazioni finanziarie.
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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