Waiting
Login processing...

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

Behavior

Kombinerede Invasive subcortical og Non-invasiv Surface neurofysiologisk Optagelser til vurdering af kognitive og emotionelle funktioner i mennesker

Published: May 19, 2016 doi: 10.3791/53466
Automatic Translation
1, 2, 2, 2, 1,2, 3, 1,2, 1,2
1Institute of Clinical Neuroscience and Medical Psychology, Medical Faculty, Heinrich-Heine-University, 2Department of Neurology, Center for Movement Disorders and Neuromodulation, University Clinic Düsseldorf, 3Department of Neurosurgery, Functional Neurosurgery and Stereotaxy, Center for Movement Disorders and Neuromodulation, University Clinic Düsseldorf

Abstract

På trods af succesen med at anvende ikke-invasiv electroencefalografi (EEG), magneto-encephalography (MEG) og funktionel magnetisk resonans (fMRI) til at udtrække vigtige oplysninger om den mekanisme af den menneskelige hjerne, sådanne metoder er utilstrækkelige til at give oplysninger om fysiologiske processer afspejler kognitive og følelsesmæssige funktioner på subcortical niveau. I denne henseende, moderne invasive kliniske tilgange i mennesker, såsom dyb brain stimulation (DBS), tilbyder en enorm mulighed for at registrere subkortikal hjerneaktivitet, nemlig lokale felt potentialer (storformatprintere), som repræsenterer sammenhængende aktivitet af neurale samlinger fra lokaliseret basalganglierne eller thalamiske regioner . Uanset at invasive metoder i mennesker er kun anvendes efter lægelig indikation og dermed registrerede data svarer til ændrede hjernens kredsløb, kan værdifuld indsigt opnås med hensyn til tilstedeværelsen af ​​intakte hjernefunktioner i forhold til hjernen oscillerendeaktivitet og patofysiologien af ​​lidelser som reaktion på eksperimentelle kognitive paradigmer. I denne retning, et stigende antal DBS studier hos patienter med Parkinsons sygdom (PD) målrette ikke kun motoriske funktioner, men også højere niveau processer såsom følelser, beslutningstagning, opmærksomhed, hukommelse og sansning. Nylige kliniske forsøg understreger også betydningen af ​​DBS som en alternativ behandling i neuropsykiatriske lidelser lige fra obsessiv-kompulsiv sygdom (OCD) til kroniske lidelser af bevidsthed (DOC). Derfor har vi fokus på brugen af kombinerede invasive (LFP) og ikke-invasive (EEG) menneskelige hjerne optagelser vurdere rollen som kortikale-subkortikale strukturer i kognitive og emotionelle behandling trough eksperimentelle paradigmer (fx. Tale stimuli med følelsesmæssige konnotation eller paradigmer af kognitiv kontrol såsom Flanker opgave), for patienter DBS behandling.

Introduction

Invasive neurofysiologiske optagelser i mennesker tilbage til skelsættende studier rettet electrocorticographic optagelser fra kortikale områder og lillehjernen under epilepsi kirurgi og tumor forskning 1. En kritisk milepæl i den videre udvikling af en sådan procedure optagelsen har været indførelsen af stereotaktisk teknik, der giver sikker og effektiv adgang til dybe strukturer i den menneskelige hjerne 2. Bortset fra den kliniske behandling, hjerne invasive metoder hos mennesker giver en temmelig unik mulighed for at studere hjernens funktion i forhold til optagne aktivitet mønstre moduleret af eksterne stimuli, navnlig sagen om intra- og postoperative invasive optagelser i patienter, der gennemgår deep brain stimulation (DBS ) procedurer. Anvendeligheden og nytten af ​​DBS er blevet behandlet i forskellige neurologiske og neuropsykiatriske sygdomme af Parkinsons sygdom (PD) til obsessiv-kompulsiv tilstand (OCD) eller tilstande som CHROnic forstyrrelser af bevidsthed (DOC).

Især er DBS blevet anvendt i behandlingen af Parkinsons sygdom 3,4,5, essentiel tremor 6, primær / generaliseret segmentær dystoni 7,8,9, Huntingtons sygdom 10,11, behandlingsresistente-depression 12,13, nikotin og alkoholafhængighed 14, Alzheimers sygdom 15,16, Tourettes syndrom 17 og kronisk lidelse af bevidsthed (DOC) 18,19,20.

Inden for omfanget af neuropsykiatri, DBS er en godkendt / CE-mærket behandling for obsessiv-kompulsiv tilstand (OCD) rettet mod forreste led af det indre kapsel (ALIC) og er i brug målretning den ventrale kapsel / ventral striatum / ventrale spiegelske (VC / VS), nucleus accumbens (NAC) og nucleus subthalamicus (STN) 21. Med hensyn til DBS i OCD 22, de seneste undersøgelser understreger betydningen af STN i mekanismen for kompulsiv kontroling ved anvendelse hukommelse baseret-paradigmer 23,24,25.

Bemærkelsesværdige, modulering af hjernens aktivitet under indflydelse af paradigmer med kognitive og emotionelle konnotation er blevet understreget i DOC 26,27,28,29. Således er DBS fremhæves ikke kun som en potentiel behandling af kronisk DOC, men også som en klinisk procedure, der åbner op for muligheden for at studere modulation af subkortikal aktivitet ved at optage lokale felt potentialer (LFP) fra centrale thalamiske regioner intra- og post operativt.

I DBS er neurokirurgiske implantation af elektroder baseret på stereotaktisk teknik, der sikkert tegner sig for hjernens anatomiske begrænsninger, mens patientens stimulation er tilpasset gennem intra-operative impuls-stimulation tests. Postoperativ LFP optagelse er mulig efter den første implantation af DBS elektroder og før internalisering af impulsgeneratoren. Især den nuværende protokol er centered på postoperative optagelser.

I kombination med storformatprintere, kan der opnås samtidig optagelse af cortical hjerneaktivitet for eksempel ved ikke-invasiv elektroencefalografi (EEG) eller magnetoencephalography (MEG) 30,31. Disse to ikke-invasive metoder understøttes på grund af dens fremragende tidsopløsning. Mens MEG er mindre påvirket end EEG ved kraniet effekter 32, EEG synes fordelagtig, fordi det er mindre påvirket af artefakter forårsaget af metalliske implantater og hoved bevægelser, og det kan bruges ved patientens seng-side 33. Ved samtidig optagelse af cortical-subkortikale hjerneaktivitet (LFP og EEG / MEG) som svar på anvendt følelsesmæssige-kognitive paradigmer, kunne etableres forskellige relationer mellem hjernens svingninger og adfærd på baggrund af tid-frekvens kobling analyser 34. Til gengæld kan sådanne afstedkommer potentielle biomarkører for en patients individualiserede kognitive og følelsesmæssige tilstande og optimization af behandlingsparametre overvejer individualiserede indstillinger.

Følgende protokollens mål invasive og non-invasive neurofysiologisk optagelse i mennesker til vurdering af kognitive og følelsesmæssige funktion, specielt på det kortikale og subkortikale niveau (EEG og storformatprintere).

Først de neurofysiologiske optagelse viste trin i videoen, der ledsager den nuværende protokol, svarer til en optagelse med et eksempel patient med bevægelse lidelse, der udfører den såkaldte Flanker opgave (eksempel 1).

For det andet, er skridt i den protokol diskuteret ved at fokusere på den metode, analyse og prøveresultater taget fra et offentliggjort DBS eksempel i kronisk DOC 26 (eksempel 2).

Disse to eksempler fremhæver anvendeligheden af ​​den foreslåede protokol til DBS-behandlede patienter med forskellige lidelser og forskellige eksperimentelle paradigmer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Den DBS procedure og invasive optagelser blev godkendt af den etiske Kommissionen Universitetsklinikken Düsseldorf, Tyskland.

1. Eksperimentel Paradigm Design og patientens samtykke

BEMÆRK: Design en eksperimentel paradigme eller vælg en eksisterende eksperimentel paradigme til at målrette en kognitiv / emotionelle aspekt af interesse.

  1. Vælg patienter der vil blive foretaget DBS-behandling. Spørg hvis DBS-Patient opfylder inklusionskriterier undersøgelsens. Hvis ja, få underskrevet informeret samtykke fra patienten og / eller etisk kommission (hvis relevant) at gennemføre en postoperativ optagelse og anvendelse af de respektive kognitive paradigme.
    Bemærk: Postoperativ optagelse finder sted den følgende dag efter en indledende DBS kirurgi udføres for DBS elektrode implantation (sammen med deres tilsvarende eksternalisering fra hovedet ved hjælp af specielle kabler), og før en anden operation foregår regarding permanent implantation af DBS elektroder og stimulator.
    1. I Flanker opgave (eksempel 1), opnå underskrevet informeret samtykke fra en patient med bevægelse lidelse (f.eks. Huntingtons eller Parkinsons sygdom), for at gennemføre en post-operativ optagelse. Målet med Flanker eksperimentet er at teste patientens evne til tilpasning til fejl adfærd og til at bestemme, hvordan en sådan tilpasning er afspejlet på hjernens oscillerende aktivitet på kortikale og subkortikale niveau.
      BEMÆRK: Valget af en patient er dikteret af den kognitive mekanisme, der skal behandles og patientens lidelse. I DBS-DOC case-eksempel (eksempel 2), blev en kvindelig DOC patient, som led af en skade i hovedet i en alder af 38 valgt. På grund af patientens tilstand begrænser informeret samtykke blev DBS behandling og eksperimentel deltagelse udelukkende er godkendt af den lokale etiske kommission. Det vigtigste mål for DOC postoperative optagelsen var at bestemme, omhjernens funktion i forhold til kognitiv-emotionel behandling var stadig intakt i en patient med en sådan alvorlig forstyrrelse af bevidsthed.
  2. Vælg mellem den type stimulus, der skal fremlægges (auditive, visuelle). Identificer rækkefølgen af ​​stimulus præsentation (blok eller blandet design). Vælg varigheden af ​​stimulus, inter stimulus interval (ISI) og antallet af forsøg.
    1. Som en praktisk eksempel udføre Flanker opgave (eksempel 1, figur 1A), for at undersøge muligheden for at tilpasse adfærd som reaktion på engagement respons fejl. Denne opgave består af visuel stimuli (flankeret pilespidser lodret arrangeret).
    2. Flankerer mål-stimulus (pilespids i midten) ved to tilstødende pile (over og under målet) enten peger i samme (kompatibel) eller modsatte (uforenelige) retning, desuden overveje stoppe forsøg (cirklen i midten).
    3. Præsenter målet til venstre eller højre, og bede deltageren om at trykke en response knap med deres venstre eller højre tommelfinger. I stop-forsøg instruere deltagerne ikke at reagere. Present flankers 200 msek før mål. Vis målet for 300 ms og sæt respons stimulus-interval til 2.000 ms (forløbet tid er angivet med en cue tone). Præsentere alt fire blokke af 120 stimuli hver i denne opgave. Present kompatibel (60%), uforenelig (20%) og stop-forsøg (20%) stimuli tilfældigt.
      BEMÆRK: Denne værdi for stimulus-intervallet blev valgt for at undgå et stort antal mistede forsøg, når de overvejer motor handicappede patienter. Flankers og målet blev slukkes samtidig. Patienterne blev instrueret i at svare så hurtigt som muligt.
      BEMÆRK: I DBS-DOC case-eksempel (eksempel 2, figur 1B), den eksperimentelle paradigme bestod af neutral ikke-adressering og velkendte-adressering tale stimuli 26 i en blok design. Stimulus varighed blev sat op til 4 sekunder (med en randomiseret 4 5 sek inter-stimulus-interval). En total af 80 forsøg pr betingelse blev overvejet i dette paradigme (figur 1B).
  3. Envision patientens fysiske begrænsninger og behov i en post-operativ indstilling optagelse. Specifikt bestemme, om patienten er i stand til at gøre brug af computerens tastatur ved at overveje tilstedeværelsen af ​​for store chorea bevægelser (Huntingtons sygdom) eller tremor (Parkinsons sygdom).
    1. Sørg for, at patienten er i stand til at se skærmen (som lokalbedøvelse eller stereotaktisk hoved ramme anvendt under DBS kirurgi kan have forårsaget hævelser i ansigtet og omkring øjnene) og sidde komfortabelt i løbet af hele forsøget. Udfør ikke eksperimentet, hvis patienten ikke opfylder disse betingelser.

2. Set-up for Postoperativ subkortikale (storformatprintere) og overflade (EEG) Optagelser

  1. Opsæt EEG udstyr (se Materialer i de supplerende filer) i rummet wher forsøget vil blive gennemført. Slut optagelsen computeren til EEG-systemet. Start EEG optagelse software (se "materialer" i de supplerende filer).
  2. Klik på "File" og derefter "Ny arbejdsområdet" for at definere arbejdsområdet i EEG optagelse software ved at angive: en sampling frekvens på 5 kHz, en lav cut-off (DC) og høj afskæringsfrekvens (1000 Hz), EEG kanaler i henhold til den internationale 10/20 systemet (mindst: fronto-central (Fz), centro-central (Cz), fronto-polær reference (Fpz) og jord (mastoid) og afhængig af paradigme desuden parieto-central (Pz) , occipito-central (Oz), tidsmæssige (T3 / T4), fronto-mediale (F3 / F4), fronto-lateral (F7 / F8)) (figur 2D) og LFP-kanaler (LFPL 0, LFPL1, LFPL2, LFPL3 ( venstre hjernehalvdel, Figur 2C) LFPR0, LFPR1, LFPR2 og LFPR3 (højre hjernehalvdel)). Klik på "Monitor" for at kontrollere, at de angivne kanaler nu er sat op til optagelse.
    BEMÆRK: PReparation forhånd af arbejdsområdet anbefales for at minimere eksperimentet tid og til at føre tilsyn med uventede ændringer i optagelsen konfiguration. Det anbefales at sikre den højeste tidsmæssige opløsning, korrekte filter indstillinger, tilstrækkelig sampling rate og korrekt valg af kanaler af interesse.
  3. Opstil stimulus computer ved at forbinde den parallelle port til EEG-systemet. Start stimulus software. Klik på "Kør" for at kontrollere paradigme funktionalitet på computerens skærm (visuelle stimuli) og / eller højttalere (auditive stimuli, lyd signaler). Sørg markører (triggers) fra stimulus computer læses i optagelsen systemet under præsentation af stimuli og patientens respons ved at kontrollere deres udseende på EEG optagelse software.
    BEMÆRK: Triggers fra stimulus enheder skal have en varighed af mindst 200 mikrosekunder at blive opdaget af EEG-system (med 5 kHz samplingfrekvens). Da udløser er markører for event-related-begivenheder eller fremkaldt relaterede aktiviteter, der forekommer på et bestemt tidsrum deres funktion er afgørende for analyse posteriore data. I DBS-DOC case-eksempel (eksempel 2), den eksperimentelle paradigme (figur 1B) bestod af auditive stimuli (kendte en uvant Voices) så udløser blev oprettet i begyndelsen og slutningen af hver stimuli præsenteret. I tilfælde af Flanker opgave (Figur 1A) udløser blev oprettet i det øjeblik, når 1) de flankers og mål stimuli dukkede op, 2) patienten reagerede og 3) en cue tone hørtes at informere patienten, at svaret tid var gået.
  4. Marker toppunktet af patientens hoved som midtpunktet mellem nasion og Inion ved hjælp af en hud markør pen og ved at følge råd fra en erfaren neurolog eller EEG specialist. Derudover markere valgt EEG elektrode positioner ved hjælp af 10-20-systemet. Vedhæft EEG overfladeelektroder til hovedbunden ved først at rense hver valgt placering med en isopropyl alkohol pad og efter brug af slibende pasta.
    BEMÆRK: Sådanne handlinger er begrænset af placeringen af ​​bandager på hovedet af DBS patient. Dog bør en erfaren neurolog kunne definere en passende (ca.) placering for hver elektrode / kanal. For at sikre en god kontakt flytte hår ud af den måde (hvis relevant). Brugen af ​​selvklæbende elektroder sikret ved kirurgisk tape kan anvendes på grund af lethed af placering.
  5. Tilslut externalized DBS elektroderne til en perkutan forlængelse. Slut perkutan udvidelse til ekstern kabel stik. Tilslut hver elektrode, som den eksterne kabel stik til EEG kontrolboksen i henhold til EEG optagelse opsætning. Tilslut EEG hovedbunden elektroder til EEG kontrolboksen ved først at tilslutte jorden og reference.
  6. Vedhæft EMG elektroder (reference og aktive elektroder) med bestemte muskler ved først at rense området med en isopropylalkohol pad. Slut EMG elektroder til EEG kontrolboksen.
    BEMÆRK: Dette trin er valgfrit og hovedsagelig udføres, når motoriske opgaver betragtes i paradigme eller når det er påkrævet at overvåge aktiviteten af ​​musklerne som i tilfælde af patienter med motorisk lidelse.
  7. Klik på "Monitor" for at visualisere data. Sørg EEG og EMG signaler, der vises på skærmen, er artefakt-fri ved at detektere tilstedeværelsen af ​​rysten og oven højfrekvente komponenter. Check retningslinjer om typer af artefakter og andre faktorer relateret til optagelse elektroencefalografiske signaler 35 og / eller anmode om teknisk rådgivning fra en erfaren neurolog eller neurolog, indtil du bliver fortrolig med den type uroligheder stede i sådanne fysiologiske optagelser.
    BEMÆRK: Dette trin er vigtigt at sikre kvalitet signaler for off-line dataanalyse høje.

3. Registrering af Postoperativ subkortikale (storformatprintere) og Surface (EEG) Brain Activity

  1. Give instrukser til patienten. Sørg for, at patient er komfortable og instruere ham / hende til at standse eksperimentet på ethvert tidspunkt af ubehag.
  2. Klik på "run" på stimulus software, så patienten er i stand til at se paradigme på skærmen og / eller lytte til cue toner og lyde. Udfør en træningssession med patienten, indtil han / hun er komfortabel med opgaven. Start samtidig optagelse af subcortical (LFP) og cortical (EEG) hjerneaktivitet, mens patienten udfører den eksperimentelle opgave.
    BEMÆRK: I tilfælde af DBS-DOC sag eksempel (eksempel 2) paradigmet bestod af auditive stimuli i en blok design som beskrevet i (figur 1B). I tilfælde af Flanker opgave (figur 1A), visuelle stimuli svarende til tre betingelser (kompatibel (60%), uforenelige (20%) og stop-forsøg (20%)) blev præsenteret tilfældigt inden hver blok (blandet design), hver blok bestod af 120 stimuli og paradigmet bestod af i alt fire blokke. Efter opgaven er afsluttet,data er lagret på harddisken i registrerings- computer til senere off-line screening og kvantitativ analyse.

4. Data Analysis

BEMÆRK: Skridt ved hjælp af EEG analyse software:

  1. Åbn EEG analyse software (se "materialer" i de supplerende filer) og klik på "Ny" for at visualisere de registrerede data ved at specificere mappestier (rå, historie og eksport) og data navn. Klik på "Rediger kanaler" for at vælge kanaler af interesse. Omdøb kanaler, hvis det er nødvendigt.
  2. Klik på "Kanal Forbehandling" og derefter "Ny reference" for at re-reference- tilstødende DBS kontakter og dermed skabe virtuelle bipolære kontakter til venstre og højre hjernehalvdel. Gentag denne proces for at skabe en virtuel montage for EEG kanaler.
    BEMÆRK: En bipolar gen-henvisning montage er vigtigt at minimere volumen ledningsforstyrrelser virkninger og forbedre rumlig pålideligheden af ​​de registrerede signaler. I tilfælde af DBS-DOC case eksempel (eksempel 2), blev følgende bipolære kanaler opsætning DBS: LFPL01, LFPL12, LFPL23, LFPR01, LFPR12, LFPR23 og EEG: Cz / Fz, Pz / Cz, Oz / Pz, T3 / Cz og T4 / Cz . Det er værd at understrege, at mens MEG registrerede signaler er henvisningen-fri, skal refereres til at indstille sande ikke-vilkårlige nul værdi signaler i en fælles ramme EEG-signaler. Eksisterende EEG referencesystemer inkluderer: Cz eller FPz reference, gennemsnit mellem elektroder på de to ører, gennemsnitlige reference (i betragtning af alle de kanaler), to- eller single-mastoid reference og støj reference. Med henblik på dataanalyse, kan forskellige re-reference- arrangementer udnyttes, f.eks bipolære kontakter er passende, når du målretter tid-frekvens kobling analyse mellem DBS og EEG-signaler.
  3. Klik på "rå data inspektion" til data skærmen for fysiologiske og udstyr relaterede artefakter med vægt på motor jittering og udstyr forstyrrelser. Mark segmenter, hvor artefakter er til stede.
    NOTE: Når du optager hovedbund aktivitet og samtidig subkortikale aktivitet gennem DBS eksternaliseres kundeemner, EEG synes mere robust støjartefakter end teknikker såsom MEG, for hvilke der er rettet nuværende bestræbelser for at forbedre signal-støj-forholdet. Grundet at patienter med motoriske forstyrrelser lider ufrivillige bevægelser såsom chorea og tremor udseendet af motorens jittering artefakter i de registrerede signaler må der tages hensyn til. Andre forstyrrelser skyldes øjet blinker og udstyr relaterede artefakter. Fokus på DBS-DOC tilfælde eksempel (eksempel 2), blev artefakt inspektion udført ved visuel undersøgelse og artefakter blev manuelt markeret. Den eneste anvendelse af en automatisk artefakt inspektion tilstand frarådes, da nogle artefakter ikke kan genkendes af en bestemt kriterium.
  4. Klik på "Datafiltrering" og derefter "IIR filtre" til at angive et hak filter: 50Hz (beskæftiger sig med højspændingsledning artefakter) og Butterworth Zero Phase Filtre af specificere Low og High Cutoff parametre. Klik på "Change Sampling Rate" til downsample de optagne signaler til et bestemt frekvens og også angive interpolation type.
    1. I DBS-DOC eksempel; sæt Lav Cutoff: 1,0000 Hz, Tidskonstant: 0.1592s, hældning: 48 dB / oktav; Høj Cutoff: 80,0000 Hz, Tidskonstant: 0,1592 sek og 48 dB / oktav og nedsampling frekvens til 512 Hz ved hjælp af spline interpolation.
      BEMÆRK: Eventuelt udføre filtrering af tilpassede scripts baseret på velkendte open source suiter: Fieltrip (http://www.fieldtriptoolbox.org/), EEGLab (http://sccn.ucsd.edu/eeglab/) og SPM8 ( http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm8/). I tilfældet med den første, er eksempelscripts tilvejebragt i (http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/preprocessing). Andre suiter har også detaljeret dokumentation til at udføre dette trin.
      BEMÆRK: Downsampling på noget tidspunkt vil begrænse frekvensen plads, der er til rådighed for yderligere analyse ifølge Nyquist teorem. I betragtning af DBS-DOC case-eksempel, den valgte samplingsfrekvens på 512 Hz er hensigtsmæssigt, når man overvejer et frekvensbånd op til 80 Hz.
      BEMÆRK: Du kan også udføre ned-sampling af tilpassede scripts baseret på velkendte open source suiter: fieldtrip (http://www.fieldtripbox.org), EEGLab (http://sccn.ucsd.edu/eeglab) og SPM8 ( http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm8/). I tilfældet med den første, er script eksempler billede (http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/preprocessing). Andre suiter giver også dokumentation til at udføre dette trin.
  5. Eksport bipolære kanaler af interesse ved at klikke "Export" og derefter "Generic data". Eksport data markører (triggers) ved at klikke på "Export" og derefter "markører". Navngiv filer, der skal eksporteres, ved at vælge en "txt" format.
    BEMÆRK: For at kunne bruge fieldtrip værktøjskasse i de næste skridt foreslås det at eksportere kanaler i (.txt) multiplex format og også anbefaleed at medtage en "vmrk" fil, der indeholder oplysninger om eksporterede kanaler. Det foreslås også at bruge en (.txt) format for de eksporterede markører, mens muligheden for at springe markører, der svarer til dårlige intervaller valgt i trin 4) tilbydes.

BEMÆRK: Skridt ved hjælp fieldtrip:

  1. Opstart MATLAB og klik på "set path" for at tilføje fieldtrip mappens sti, hvis det ikke sker som standard.
  2. Sæt data, der tidligere forbehandlede og markører i en celle array-struktur, der er forenelig med de funktioner inden fieldtrip ved at køre ( Script 1-Supplerende fil ) uden mangler at præcisere: Den mappe, der indeholder EEG og LFP-filer fra trin 7 , kanalnavne, sampling frekvens, prøve tid, forsøg. (Valgfrit) Udfør artefakt afvisning af "udkommentere" den angivne kode. Dette script gemmer data i en specificeret fil, som vil blive anvendt i next trin.
  3. Beregn LFP spektrale strøm til kanaler af interesse ved at køre ( Script 2-Supplerende fil ) uden mangler at angive: den mappe, der indeholder filen genereret af (Script 1), den metode (wavelet eller mtmconvol), bredden af vinduet, hyppigheden af ​​interesse (FOI), tidens periode af interesse (toi), og hyppigheden baseline korrektion (valgfrit). Definer den type statistisk analyse og ønskede p-værdi.
    Bemærk: I DBS-DOC case-eksempel (eksempel 2), blev magten analyse udført ved at overveje en stimulus-låst wavelet tid frekvens analyse (Morlet wavelet (width = 5)) med Hanning taper, et frekvensområde på 4-80 Hz og en tidsperiode mellem -1 til 4 sek. Grundet at wavelets har variabel opløsning i tid og frekvens. Når du vælger en wavelet, beslutter vi en afvejning mellem tidsmæssig og spektral opløsning. Især Morlet wavelets besidder en sinusform vægted ved en Gaussisk kerne, der muliggør indfange lokale oscillerende komponenter i en tidsserie. Gøre bredden parameter mindre vil øge den tidsmæssige opløsning på bekostning af frekvens opløsning og vice versa. Den spektrale båndbredde ved en given frekvens F er lig med F / bredde x 2 (for F = 40 Hz og width = 5 den spektrale båndbredde er 16 Hz), medens den wavelet varighed er lig med bredden / F / pi (for F = 40 Hz og width = 5 wavelet varighed er 39,8 msek). En klynge baseret (tid og frekvens variabler) randomisering metode blev anvendt til statistisk analyse mellem forhold (p-niveau på 0,05 i en to-sidet test) 39. Som et eksempel på outputtet opnås ved udførelse dette trin se venligst figur 4A og figur 4D. Time-frekvens respons analyse blev udført af tilpassede scripts baseret på open source software fieldtrip (http://www.fieldtriptoolbox.org/). Specifikke oplysninger om, hvordan du tilpasser et script til at udføre dette trin kanfindes i http://www.fieldtriptoolbox.org/reference/ft_freqanalysis.
  4. Beregn sammenhæng mellem subkortikale og kortikale signaler ved at køre ( Script 3-Supplerende fil ) uden at glemme at angive: segmenter længde, overlap procent, frekvens af interesse. Med hensyn til den statistiske analyse specificere den type analyse og ønskede p-værdi.
    Bemærk: Sammenhæng analyseforanstaltninger den lineære sammenhæng mellem to tidsserier med et konstant forhold af amplituder 40. I DBS-DOC case-eksempel (eksempel 2), blev segmenter af 1 sek med 50% overlap anvendes til beregning af sammenhæng ved at fokusere på frekvensen intervallet mellem 1 og 25 Hz. En klynge-baserede (tid og frekvens variabler) randomisering metode blev anvendt til inden for individet analyse af sammenhæng (p-niveau på 0,05 i en to-sidet test) 41. Endvidere blev den imaginære del af sammenhæng beregnet 42.
    de basic skridt til at tilpasse et script for sammenhæng analyse er beskrevet i (http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/coherence). Som et eksempel på outputtet opnås ved udførelse dette trin se venligst figur 4B.
  5. Beregn cross frekvens fase amplitude kobling (PAC) ved at køre softwareimplementeringen rådighed som supplerende fil med reference 43.
    Bemærk: I DBS-DOC tilfælde eksempel (eksempel 2), blev der på tværs af frekvens analyse PAC beregnet ved hjælp af hele den frie-artefakt indspilning for forskellige kombinationer af bipolare kanaler. Især normaliseret direkte PAC (ndPAC) 43 blev foretrukket, fordi det aktiveret bestemmelse af signifikante kobling på forskellige statistiske niveauer, mens etablering til nul ikke-signifikante koblinger (p-niveau: 0,1). Som et resultat heraf frekvensområdet for fase og amplitude kobling kunne udvælges på grundlag af deres betydning. I DBS-DOC tilfælde eksempel fasen frekvensområdet anses was 3-22 Hz, mens amplituden frekvensområdet blev oprettet for at 35-80 Hz. De LFP-EEG kanaler udvalgt til PAC-analyse var LFPR23 og EEGFzPz på grundlag af sammenhængen analyse udført i trin 5.5. Som et eksempel på outputtet opnås ved udførelse dette trin se venligst figur 4C.

figur 1
Figur 1: Prøve Eksperimentelle Paradigmer (A) (eksempel 1) Flanker opgave:. Target stimulus (pilespids i midten) er flankeret af to tilstødende pile (over og under målet) enten peger i samme (kompatibel) eller modsat (uforenelig) retning, stop-forsøg (cirkel i midten) blev også overvejet. Når målet er peget på venstre eller højre, en deltager skal trykke et svar knap med deres venstre eller højre tommelfinger henholdsvis stop forsøg deltagerne instrueret om ikke at reagere. Den Flanker opgave bruges her blev ændret fra den oprindeligt programmerede udgave af Prof. C. Beste og hans gruppe (se bekræftelser). (B) (eksempel 2) emotionel-kognitive tale paradigme anvendes i DBS-DOC case-eksempel. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

For DBS-DOC tilfælde (eksempel 2), vi nu levere data om målet lokalisering for DBS implantation, skematiske diagrammer af LFP elektrode og EEG sat op, eksemplariske optagelser af EEG og LFP-aktivitet (rå data) og repræsentative analyseresultater:

Figur 2A viser planlagt bane (sort linje) projiceret på en anatomisk atlas 36, § 30, koronar, 10,7 mm bag den forreste commissure (AC) (rød linje: AC-PC planet). Røde cirkler markere målrettede områder af den nederste 15 mm (atlas gitter størrelse: 10 mm) med IML = intern medullær lamina Thalami og Rt = retikulære thalamisk kerne. VA = ventroanterior thalamiske kerne, AV = anteroventral thalamiske kerne, AM = anteromedial thalamiske kerne, Fa = fasciculosus kerne, IthA = interthalamic adhæsion.

Figur 2B viser den endelige electrode i den centrale thalamus visualiseret på en 3D-atlas 37. To ortogonale planer af snit langs aksen af elektroden i højre hjernehalvdel efter registrering af 3D atlas med CT-scanning ved hjælp af atlas 38. De fire kontakter af elektroden (blå cirkler) blev placeret i den højre thalamus (R-Thal). GPi = intern globus pallidus, STN = nucleus subthalamicus, ZI = zona incerta, RPT = retikulære perithalamic kerne, RN = rød kerne.

Figur 2C viser en skematisk tegning af DBS elektrode. Elektrode kontakter blev re-refereret offline, hvilket resulterer i tre bipolære LFP kanaler for hver halvkugle (LFPL01, LFPL12, LFPL23, LFPR01, LFPR12, og LFPR23). EEG elektrode montage (10-20-system) med elektroder, der anvendes under optagelse i DOC sag eksempel (Fz, Cz, Pz, Oz, T4, T3 og Fpz) (figur 2D)

Figur 2: Target Localization, LFP elektrode og EEG Set-up (fra eksempel 2) (A) Planlagt bane (sort linje) projiceret på en anatomisk atlas 36, § 30, koronar, 10,7 mm bag AC (rød linje:. AC- PC plan). Røde cirkler markere målrettede områder af den nederste 15 mm (atlas gitter størrelse: 10 mm) med IML = intern medullær lamina Thalami og Rt = retikulære thalamisk kerne. VA = ventroanterior thalamiske kerne, AV = anteroventral thalamiske kerne, AM = anteromedial thalamiske kerne, Fa = fasciculosus kerne, IthA = interthalamic adhæsion. (B) Sidste elektrode i det centrale thalamus visualiseret på en 3D-atlas 37. To ortogonale planer af snit langs aksen af elektroden i højre hjernehalvdel efter registrering af 3D atlas med CT-scanning ved hjælp af et atlas 38. De fire kontakter elektroden (blå cirkler) var located i højre thalamus (R-Thal). GPi = intern globus pallidus, STN = nucleus subthalamicus, ZI = zona incerta, RPT = retikulære perithalamic kerne, RN = rød kerne. (C) Skematisk tegning af DBS elektrode. Elektrode kontakter blev re-refereret offline, hvilket resulterer i tre bipolære LFP kanaler for hver halvkugle. (D) EEG elektrode montage (10 - 20-systemet) med elektroder, der anvendes i DOC sag eksempel fremhævet med gråt. (Figur A og B blev modificeret med tilladelse fra 26, Figur C blev modificeret med tilladelse fra Medtronic). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3A viser eksempler EEG optagelser svarende til bipolære kanaler: T4Cz, T3Cz, PzCz, OzPz og FzPz i tilfældet med den neutrale ikke-adressering tilstand (til venstre) og det velkendte adressering condititil (højre).

Figur 3B viser eksempler LFP optagelser svarende til bipolære kanaler: LFPL23 og LFPR23 i tilfældet med den ikke-adressering tilstand (til venstre) og det velkendte adressering tilstand (til højre).

Figur 3
Figur 3:. Eksempler Recordings (fra eksempel 2) (A) Figuren viser EEG recordings.The figur illustrerer EEG er spor svarende til bipolære kanaler (se 4.2 for detaljer om kanal re-referencer). (B) Figur viser LFP recordings.The figur illustrerer LFP spor svarende til bipolare kanaler i tilfælde af højre og venstre hjernehalvdel (se 4.2 for detaljer om kanal re-referencer). Klik her for at se en større udgave afdette tal.

Analyse af stimulus-låst modulation af oscillerende aktivitet inden central thalamus afslørede en højresidig signifikant (p = 0,044) forøgelse af beta effekt (12-25 Hz) inden det første sekund (0,45 til 0,55 sek), når kontrasterende neutral adressering vs. bekendt -addressing betingelser (figur 4a).

Sammenhæng analyse mellem kanalerne PzCz (EEG) og LFPR23 (højre hjernehalvdel) viste en signifikant forskel mellem betingelserne i theta-båndet. Også den imaginære del af sammenhæng viste afvigelse fra nul angiver en faseforsinkelse mellem LFP og EEG (figur 4B). Lokal analyse viste signifikant (p = 0,01) theta-gamma PAC (med max. På 5-til-75 Hz) til den rigtige lokale LFP-kanal (LFPR23-LFPR23) i den velkendte-adressering tilstand (figur 4C).

(figur 4D, Top). Det er også bemærkelsesværdigt, at Gamma omkring 40 Hz (grøn cirkel / ellipse) efterfølges af et bredere og højere gamma op til 80 Hz (figur 4D, Top). En væsentlig theta stigning i den velkendte-adressering tilstand på 4-6,5 Hz og tidsperiode 2,6-2,8 sek (rød cirkel), (p = 0,048) på LFPL23 samt en øget tendens på LFPR23 blev afsløret (figur 4D, Bottom) .

Figur 4 A og B
Figur 4: Time-frekvens Power Analyse og EEG-LFP Sammenhæng (fra eksempel 2) (A) Lokal oscillerende strøm kontrasterende neutral versus velkendte-adressering betingelse for det første sekund;. Color koden repræsenterer t-værdier. Top: l eft kanal LFPL23; Nederst: højre kanal LFPR23. Betydelig beta stigning (p = 0,044) ved 12-25 Hz, 0,45 til 0,55 sek (rød cirkel). (Modificeret med tilladelse fra 26). (B) Velkendt-adressering tilstand (rød linje) og neutral ikke-adressering tilstand (blå linje). Sammenhæng blev beregnet på uafhængige 1 sek segmenter fra epoker med varighed 0-4 sek og gennemsnit på tværs af alle segmenter. Top (til venstre): Sammenhæng med kanal LFPL23 venstre hjernehalvdel, Top (til højre): Sammenhæng med kanal LFPR23 højre hjernehalvdel. Signifikant forskel mellem forhold (p = 0,044) er angivet med rød cirkel / stjerner for sammenhæng med kanal PzCz, 5-6 Hz. Nederst: Imaginary del af sammenhæng mellem LFPR23 højre hjernehalvdel og kanal Cz (grøn cirkel) viser afvigelse fra nul betyder en fase forsinkelse mellem LFP og EEG (og dermed påvirke ikke skyldes volumen ledning). (Modificeret med tilladelse fra 26)"_blank"> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4C
Figur 4C: Fase Amplitude Kobling (PAC) (fra eksempel 2) PAC for fase frekvenser 3-22 Hz og amplitude frekvenser 35-80 Hz.. Farver indkode normaliseret direkte fase-amplitude cross-frekvens kobling (ndPAC). Falsk kobling er sat til 0 (p = 0,01). Betingelser: venstre: neutral, højre: fortrolig-adressering. Top: PAC af højre lokale LFP-kanal LFPR23-LFPR23 viser PAC i fortrolig adressering stand med max. på 5-75 Hz (rød cirkel). Nederst: PAC af højre LFP-EEG kombination med LFPR23-EEGPzCz. (Modificeret med tilladelse fra 26) Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4D
Figur 4D:. LFP Time-frekvens analyse (fra eksempel 2) Time frekvens plots af lokale power ændringer på LFP23. TOP: Power forskel fra baseline i den velkendte-adressering tilstand i den periode, forsøget (0-4 sek). Venstre: bred frekvensbånd 5-80 Hz, til højre: gamma band; øverste række: venstre hjernehalvdel (LFPL23), nederste række: højre hjernehalvdel (LFPR23). NEDERST: Statistisk kontrast mellem betingelser illustrerer betydelig theta stigning i den velkendte-adressering tilstand på 4-6,5 Hz og tidsperiode 2,6-2,8 sek (rød cirkel), p = 0,048 om LFPL23 og stigning (trend) på LFPR23. Farvekort koder t-værdier; top: venstre hjernehalvdel (LFPL23), bund: højre hjernehalvdel (LFPR23). (Modificeret med tilladelse fra 26) Klik hførend at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I modsætning til ikke-invasive hjerne optagelse teknikker som hovedbund-EEG og MEG, den foreslåede kombinerede invasive og non-invasive neurofysiologisk rammer optagelse giver en bemærkelsesværdig mulighed for at udtrække oplysninger fra kortikale og subkortikale områder i relation til kognitive-emotionelle opgaver. Sådanne oplysninger reflekteres af hjernens oscillerende aktivitet på flere frekvensbånd og forskellige niveauer af organisationen i forhold til hjernens funktion 44. Brain oscillerende mønstre, der er relevante i vores optagelse ramme omfatter: subcortical oscillerende aktivitet (storformatprintere), ændringer i kortikale-subkortikale sammenhæng indikerer ændringer i lineær sammenhæng mellem aktiviteter på kortikale og subkortikale regioner på bestemte frekvensbånd, subkortikal fase-amplitude kobling (PAC) og fase-fase kobling (PPC). Især er relevansen af ​​PAC og PPC fremhævet som forholdet og samspillet mellem svingninger i forskellige frekvensbåndhar vist sig at være nyttige i forståelsen hjernefunktion. I tilfælde af PAC, fasen af ​​en lavfrekvent svingning er forbundet med evnen af ​​en højfrekvent svingning således resulterer i synkronisering af amplituden konvolut af hurtigere rytmer med fasen af ​​langsommere rytmer. PPC betegner en amplitude uafhængig fase låsning mellem n cykler af højfrekvent oscillation og m cykler af en lavfrekvent én 45. Fokus på DBS-DOC tilfælde eksempel (eksempel 2), analyse af kortikal / subkortikale registrerede data for det velkendte-adressering tale tilstand afslørede modulering af oscillerende aktivitet i beta og theta-båndet i den centrale thalamus sammen med øget thalamus sammenhæng i theta bånd. Derudover et theta fase - gamma amplitude kobling var tydelig inden thalamus lokalt. Disse fund ikke kun støtte inddragelsen af ​​thalamus i følelsesmæssig og kognitiv behandling, men også fremhæve funktioner that er intakte i kroniske DOC patienterne, og som kan være nyttige for vurderingen af bevidste tilstande hos disse patienter 26.

Metodisk som eksemplificeret ved vores to eksempler, de mest relevante skridt til registrering og analyse af cortical-subkortikale hjerneaktivitet i forhold til emotionel-kognitiv behandling kan nævnes:

1) Design af en eksperimentel paradigme, ved at tage hensyn til de patientens behov og begrænsninger i en post-operativ indstilling, der sikrer, at han / hun vil være i stand til at udføre den opgave, der er angivet i studiet uden at kompromittere hans / hendes integritet og samtidig maksimere den chance for succes i færdiggørelsen af ​​forsøget.

2) Indhentning underskrevet informeret samtykke fra patienten, patientens familiemedlemmer eller etisk kommission til at udføre postoperative optagelse. I DBS-DOC tilfælde eksempel (eksempel 2) godkendelsen er udelukkende indhentet fra den etiske kommission på grund af patientenss bevidstløs tilstand (koma). I tilfælde af patienter med motoriske forstyrrelser samtykke blev opnået direkte fra patienten.

3) Definition af et passende forsøgsopstilling til samtidig optagelse af subkortikale LPFs og cortical M (EEG) aktivitet. I tilfælde af EEG, vi understrege: Korrekt valg og opsætning af en EEG-kanal montage og elektrodeplacering på patientens hovedbund. Navnlig kunne elektrodeplacering være udfordrende på grund af tilstedeværelsen af ​​bandager på patientens hoved efter DBS operation, så rådgivning af EEG faglig eller neurolog er stærkt anbefales til passende placering; Det anbefales ikke at foretage nogen impedans kontrol kontrol med henblik på at forhindre enhver strøm, der skal sendes direkte ind i hjernen på patienten ( "off-label" brug af EEG-forstærker). Bemærk, at impedansen checkens tilstand i mange EEG-systemer benytter en lille strøm, der passerer gennem alle tilsluttede elektroder så den resulterende spænding og impedances er estimeret ved Ohms lov; Udvælgelse af en passende optagelse samplingfrekvens og frekvensbånd er hovedsageligt bestemt af faktorer, såsom EEG udstyr kapaciteter de, forskningsspørgsmålet under undersøgelse og Nyquist sampling regel, der hedder, at samplingfrekvens der kræves for at eliminere alias frekvenser i en båndbredde begrænset signal ( til en værdi lig med halvdelen af ​​Nyquist hastigheden) er to gange den højeste frekvenskomponent i signalet.

4) Valg af passende software-værktøjer: Alle beregningerne i den kvantitative analyse af DBS-DOC data (eksempel 2) blev udført af kommerciel analyse software, open source-suiter 46 og selvstændige tilpassede scripts (se supplerende filer). En fordel ved open source software-værktøjer er mulighed for at tilpasse egne analyser rørledninger ved at ændre og kombinere eksisterende scripts (under den fælles licens tilskrivning). Men for at gøre det dybere forståelse af matematisk grundlag af signalbehandling og programmering er påkrævet. Også, der behandles af en sådan skræddersyet rørledning skal overholde det format, som den specifikke suite. I tilfælde af kommercielle softwareværktøjer, er databehandling lettes med grafiske grænseflader, der gør hvert behandlingstrin så intuitivt som muligt, er dog brugere begrænset i deres evne til at ændre de algoritmer inkluderet i softwaren. Som eksemplificeret ved den nuværende protokol, en kombination af kommercielle og open source software-værktøjer er frugtbar, så længe data kan eksporteres (importeret) på et kompatibelt vej fra det ene system til det andet.

5) Begrænsninger og Ændringer: Den foreslåede invasive / non-invasiv rammer optagelse har begrænsninger i både dets anvendelse og de optagelser, der er fastsat. Som en klinisk teknik, er det kun rettet til patienter, der gennemgår DBS behandling for en specifik medicinsk tilstand og hjerne mål, dermed de områder i hjernen anses for study vil blive begrænset af den operative plan. Den rumlige opløsning af optagelser, som denne teknik er på niveau med LFP potentialer, vil således medicinske translationelle studier kræver analyse af hjernens aktivitet på multiscale niveau skal suppleres med dyreforsøg involverer optagelser på enkelt celle niveau. Med hensyn til DBS-DOC case-eksempel (eksempel 2), en begrænsning vedrører også for generaliserbarhed af de opnåede resultater, da den beskæftiger sig med en enkelt-case study.

Mulige ændringer og fejlfinding af Flanker opgave (eksempel 1) omfatter udvidelsen af ​​respons stimulus-interval (> 2000 ms) om manglende evne til patienter til at reagere inden for en bestemt tidsinterval. Dette er særlig vigtigt i tilfælde af Huntington sygdom patienter, som er karakteriseret ved rykvise ufrivillige bevægelser sammen med kognitiv og emotionel tilbagegang. Også den opgave (oprindeligt bestående af fire blokke af 120 stimuli eaCH) kan forkortes på grund af manglende evne til en patient for at fortsætte på grund af træthed. I den forbindelse vil den fysiske tilstand og alder være afgørende faktorer for patientens valg.

Det konkluderes, at den foreslåede invasive / non-invasiv hjerne optagelse tilgang ikke kun er et effektivt redskab til at udtrække hjerne oscillerende mønstre på cortico-subkortikale niveau i forhold til kognitive og følelser paradigmer, men understreger også betydningen af ​​tid-frekvens-fase analyser for at udvinde hjerne synkronisering mønstre på forskellige rumlige og tidslige resolutioner. Fremtidig anvendelse af denne teknik omfatter studiet af cortico-subkortikale neurale korrelater til kognitiv og sensorisk behandling ved at målrette ikke kun patienter, der lider af motoriske forstyrrelser, men også psykiatriske lidelser, såsom DOC, OCD, depression og demens.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen konkurrerende finansielle interesser.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af ERA-NET NEURON / BMBF Tyskland (Tymon). Offentliggørelse gebyrer er omfattet af en bevilling fra University Hospital Düsseldorf. Den Flanker opgave bruges her blev ændret fra det oprindeligt programmerede udgave af Prof. C. Beste og hans gruppe 47.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
BrainAmp Amplifier Brain Products GmbH, Gilching Germany Quantity: 2
BrainVision Recorder Software Brain Products GmbH, Gilching Germany 1 License 
BrainVision Analyzer Software  Brain Products GmbH, Gilching Germany 1 License 
Fiber Optic cables and USB connectors Brain Products GmbH, Gilching Germany These come with the above listed equipment
Electrode Input box (64 channels) Brain Products GmbH, Gilching Germany Quantity: 1
EEG gel  Natus Inc Quantity: 1
Isopropyl alcohol Schülke & Mayr GmbH, Germany Quantity: 1
Skin preparation gel Weaver and Co, USA Quantity: 1
MATLAB   Math-Works, Natick, Massachusetts, USA 1 License
FieldTrip toolbox http://www.fieldtriptoolbox.org/ Open Source
Macroelectrodes (model 3387 quadripolar DBS lead) Medtronic Inc., Minneapolis, MN, USA Quantity: 2
Sterile percutaneous extension wires (model 3550-05)  Medtronic Inc., Minneapolis, MN, USA Quantity: 2
Twist lock cable (model 3550-03)  Medtronic Inc., Minneapolis, MN, USA Quantity: 2
custom made connectors to DIN 428092 touch proof connectors Quantity: 2
Vercise Lead kit DB -2201  Boston Scientific Quantity: 2
Contact extension kit NM-3138  Boston Scientific Quantity: 2
O.R. cabel & extension SC-4100 A  Boston Scientific Quantity: 2
connector to touch proof  Twente Medical Systems International B.V. Quantity: 2
CT scanner Modell PQ2000 (Postoperative CT scans) Philips Healthcare GmbH Hamburg Quantity: 1
Presentation Software (Flanker Task) Neurobehavioral systems Inc. 1 License 
MEG System Elekta Neuromag Inc Alternatively
High-density EEG sensor net (128 or 256 channels) Electrical Geodesics Inc (EGI), USA Alternatively

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Foerster, O., Altenburger, H. Elektrobiologische Vorgänge an der menschlichen Hirnrinde. Dtsch. Zschr. Nervenheilk. 135, 277-288 (1934).
  2. Spiegel, E. A., Wycis, H. T., Marks, M., Lee, A. J. Stereotaxic apparatus for operations on the human brain. Science. 106, 349-350 (1947).
  3. Okun, M. S. Deep-Brain Stimulation for Parkinson's disease. N. Engl. J. Med. 367, 1529-1538 (2012).
  4. Groiss, S. J., Wojtecki, L., Südmeyer, M., Schnitzler, A. Deep Brain Stimulation in Parkinson's disease. Ther. Adv. Neurol. Disord. 2 (6), 20-28 (2009).
  5. Kalia, S. K., Sankar, T., Lozano, A. M. Deep brain stimulation for Parkinson's disease and other movement disorders. Curr. Opin. Neurol. 26 (4), 374-380 (2013).
  6. Della Flora, E., Perera, C. L., Cameron, A. L., Maddern, G. J. Deep brain stimulation for essential tremor: a systematic review. Mov. Disord. 25 (11), 1550-1559 (2010).
  7. Volkmann, J., Benecke, R. Deep brain stimulation for dystonia: patient selection and evaluation [Review]. Mov. Disord. 17 (3), 112-115 (2002).
  8. Hu, W., Stead, M. Deep brain stimulation for dystonia. Transl. Neurodegener. 21 (3(1)), (2014).
  9. Mentzel, C. L., Tenback, D. E., Tijssen, M. A., Visser-Vandewalle, V. E., van Harten, P. N. Efficacy and safety of deep brain stimulation in patients with medication-induced tardive dyskinesia and/or dystonia: a systematic review. J. Clin. Psychiatry. 73 (11), 1434-1438 (2012).
  10. Huys, D., et al. Management and outcome of pallidal deep brain stimulation in severe Huntington's disease. Fortschr. Neurol. Psychiatry. 81, 202-205 (2013).
  11. Hartmann, C. J., Groiss, S. J., Vesper, J., Schnitzler, A., Wojtecki, L. Brain Stimulation in Huntington’s disease. Neurodegener. Dis. Manag. , (2016).
  12. Morishita, T., Fayad, S. M., Higuchi, M. A., Nestor, K. A., Foote, K. D. Deep brain stimulation for treatment-resistant depression: systematic review of clinical outcomes. Neurotherapeutics. 11 (3), 475-484 (2014).
  13. Lakhan, S. E., Callaway, E. Deep brain stimulation for obsessive-compulsive disorder and treatment-resistant depression: systematic review. BMC Res. Notes. 4 (3), 60 (2010).
  14. Luigjes, J., et al. Deep brain stimulation in addiction: a review of potential brain targets. Mol. Psychiatry. 17, 572-583 (2012).
  15. Hardenacke, K., et al. Deep brain stimulation as a tool for improving cognitive functioning in Alzheimer's dementia: a systematic review. Front. Psychiatry. 4 (159), (2013).
  16. Laxton, A. W., Stone, S., Lozano, A. M. The Neurosurgical Treatment of Alzheimer's Disease: A Review. Stereotact. Funct. Neurosurg. 92, 269-281 (2014).
  17. Schrock, L. E., et al. Tourette syndrome deep brain stimulation: A review and updated recommendations. Mov. Disord. 30 (4), 448-471 (2015).
  18. Schiff, N. D., et al. Behavioral improvements with thalamic stimulation after severe traumatic brain injury. Nature. 448, 600-603 (2007).
  19. Yamamoto, T., Katayama, Y. Deep brain stimulation therapy for the vegetative state. Neuropsychol. Rehabil. 15, 406-413 (2005).
  20. Yamamoto, T., Kobayashi, K., Kasai, M., Oshima, H., Fukaya, C., Katayama, Y. DBS therapy for the vegetative state and minimally conscious state. Acta Neurochir. Suppl. 93, 101-104 (2005).
  21. Lipsman, N., Giacobbe, P., Lozano, A. M. Deep brain stimulation in obsessive-compulsive disorder: neurocircuitry and clinical. Handb. Clin. Neurol. 116, 245-250 (2013).
  22. Mallet, L., et al. Stimulation of subterritories of the subthalamic nucleus reveals its role in the integration of the emotional and motor aspects of behavior. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 104 (25), 10661-10666 (2007).
  23. Rotge, J. Y., et al. A challenging task for assessment of checking behaviors in obsessive-compulsive disorder. Acta Psychiatr. Scand. 117 (6), 465-473 (2008).
  24. Clair, A. H., et al. Excessive checking for non-anxiogenic stimuli in obsessive-compulsive disorder. Eur. Psychiatry. 28 (8), 507-513 (2013).
  25. Burbaud, P., et al. Neuronal activity correlated with checking behaviour in the subthalamic nucleus of patients with obsessive-compulsive disorder. Brain. 136, 304-317 (2013).
  26. Wojtecki, L., et al. Modulation of central thalamic oscillations during emotional-cognitive processing in chronic disorder of consciousness. Cortex. 60, 94-102 (2014).
  27. Menon, D. K., et al. Cortical processing in persistent vegetative state, Wolfson Brain Imaging Centre Team. Lancet. 352 (200), (1998).
  28. Monti, M. M., et al. Willful modulation of brain activity in disorders of consciousness. New. Engl. J. Med. 362, 579e589 (2010).
  29. Owen, A. M., Coleman, M. R., Boly, M., Davis, M. H., Laureys, S., Pickard, J. D. Detecting awareness in the vegetative state. Science. 313, 1402 (2006).
  30. Hirschmann, J., et al. A direct relationship between oscillatory subthalamic nucleus-cortex coupling and rest tremor in Parkinson's disease. Brain. 136, 3659-3670 (2013).
  31. Hirschmann, J., et al. Differential modulation of STN-cortical and cortico-muscular coherence by movement and levodopa in Parkinson's disease. Neuroimage. 68, 203-213 (2013).
  32. Okada, Y., Lähteenmäki, A., Xu, C. Experimental analysis of distortion of magnetoencephalography signals by the skull. Clin. Neurophysiol. 110, 230-238 (1999).
  33. Vaughan, T. M., McFarland, D. J., Schalk, G. The Wadsworth BCI Research and Development Program: at home with BCI. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 14, 229-233 (2006).
  34. Gross, J. Analytical methods and experimental approaches for electrophysiological studies of brain oscillations. J. Neurosci. Methods. 228, 57-66 (2014).
  35. Pivik, R. T., Broughton, R. J., Coppola, R., Davidson, R. J., Fox, N., Nuwer, M. R. Guidelines for the recording and quantitative analysis of electroencephalographic activity in research contexts. Psychophysiology. 30, 547-558 (1993).
  36. Mai, K. M., Assheuer, J. K., Paxinos, G. Atlas of the human brain (2nd edition). , Elsevier: Academic Press. (2004).
  37. Yelnik, J., et al. A three-dimensional, histological and deformable atlas of the human basal ganglia. I. Atlas construction based on immunohistochemical and MRI data. NeuroImage. 34, 618-638 (2007).
  38. Bardinet, E., et al. A three-dimensional histological atlas of the human basal ganglia. II. Atlas deformation strategy and evaluation in deep brain stimulation for Parkinson disease. J. Neurosurg. 110, 208-219 (2009).
  39. Maris, E., Oostenveld, R. Non-parametric statistical testing of EEG- and MEG-data. J. Neurosci. Methods. 164, 177-190 (2007).
  40. Halliday, D. M., Rosenberg, J. R., Amjad, A. M., Breeze, P., Conway, B. A., Farmer, S. F. A framework for the analysis of mixed time series/point process data-theory and application to the study of physiological tremor, single motor unit discharges and electromyograms. Prog. Biophys. Mol. Biol. 64, 237-278 (1995).
  41. Maris, E., Schoffelen, J. M., Fries, P. Nonparametric statistical testing of coherence differences. J. Neurosci. Methods. 163, 161-175 (2007).
  42. Nolte, G., Bai, O., Wheaton, L., Mari, Z., Vorbach, S., Hallet, M. Indentifying true brain interaction from EEG data using imaginary part of coherency. Clin. Neurophysiol. 115, 2292-2307 (2004).
  43. Ozkurt, T. E., Schnitzler, A. A critical note on the definition of phase-amplitude cross-frequency coupling. J. Neurosci. Methods. 201, 438-443 (2011).
  44. Schutter, D. J., Knyazev, G. G. Cross-frequency coupling of brain oscillations in studying motivation and emotion. Motiv. Emot. 36 (1), 46-54 (2012).
  45. Palva, J. M., Palva, S., Kaila, K. Phase synchrony among neuronal oscillations in the human cortex. J. Neurosci. 25 (15), 3962-3972 (2005).
  46. Oostenveld, R., Fries, P., Maris, E., Schoffelen, J. M. FieldTrip: open source software for advanced analysis of MEG, EEG, and invasive electrophysiological data. Comput. Intell. Neurosci. 156869, (2011).
  47. Beste, C., Mückschel, M., Elben, S., Hartmann, C. J., McIntyre, C. C., Saft, C., Vesper, J., Schnitzler, A., Wojtecki, L. Behavioral and neurophysiological evidence the enhancement of cognitive control under dorsal pallidal deep brain stimulation in Huntington’s disease. Brain. Struct. Funct. 220, 24441-24448 (2015).

Tags

Adfærd Invasive subkortikal optagelse ikke-invasiv neurofysiologisk optagelse kognitiv funktion følelsesmæssig funktion deep brain stimulation elektroencefalografi neuropsykiatri hjernesygdomme klinisk neurovidenskab neurale oscillerende aktivitet lokal felt potentiale elektroencefalogram
Kombinerede Invasive subcortical og Non-invasiv Surface neurofysiologisk Optagelser til vurdering af kognitive og emotionelle funktioner i mennesker
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Trenado, C., Elben, S., Petri, D.,… More

Trenado, C., Elben, S., Petri, D., Hirschmann, J., Groiss, S. J., Vesper, J., Schnitzler, A., Wojtecki, L. Combined Invasive Subcortical and Non-invasive Surface Neurophysiological Recordings for the Assessment of Cognitive and Emotional Functions in Humans. J. Vis. Exp. (111), e53466, doi:10.3791/53466 (2016).

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