Abstract
Trotz des Erfolgs bei der Anwendung der nicht-invasiven Elektroenzephalographie (EEG), magneto (MEG) und der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI) für wichtige Informationen über den Mechanismus des menschlichen Gehirns zu extrahieren, bleiben solche Methoden nicht genügend Informationen über physiologische bereitzustellen Prozesse reflektieren kognitiven und emotionalen Funktionen auf der subkortikalen Ebene. In dieser Hinsicht bieten moderne invasive klinische Ansätze beim Menschen, wie die tiefe Hirnstimulation (DBS), eine enorme Möglichkeit subcortical Hirnaktivität, nämlich lokale Feldpotentiale (LFP), die kohärente Aktivität neuronaler Baugruppen aus lokalisierten Basalganglien oder Thalamus Regionen aufnehmen . Ungeachtet der Tatsache, dass invasive Ansätze beim Menschen erst nach medizinischer Indikation angewendet werden und somit aufgezeichneten Daten entsprechen veränderten Gehirnschaltungen können wertvolle Einblicke in Bezug auf das Vorhandensein von intakten Gehirnfunktionen in Bezug auf Gehirnschwingungs gewonnen werdenAktivität und die Pathophysiologie von Erkrankungen, in Reaktion auf experimentellen kognitiven Paradigmen. In diese Richtung zielen eine wachsende Zahl von DBS-Studien bei Patienten mit Parkinson-Krankheit (PD) Motorik nicht nur, sondern auch eine höhere Ebene Prozesse wie Emotionen, Entscheidungsfindung, Aufmerksamkeit, Gedächtnis und Sinneswahrnehmung. Neuere klinische Studien betonen auch die Rolle der DBS als Alternative Behandlung bei neuropsychiatrischen Erkrankungen, die von Zwangsstörungen bis hin (OCD) zu chronischen Störungen des Bewusstseins (DOC). Folglich konzentrieren wir uns auf den Einsatz von kombinierten invasive (LFP) und nicht-invasive (EEG) menschliche Gehirn - Aufnahmen in die Rolle der kortikalen-subkortikalen Strukturen in der kognitiven und emotionalen Verarbeitung Trog experimentellen Paradigmen Beurteilung (z. B. Sprachreize mit emotionalen Konnotation oder Paradigmen der kognitiven Kontrolle wie der Flanker-Aufgabe), für Patienten, die eine DBS-Behandlung.
Introduction
Invasive Neurophysiologische Aufnahmen beim Menschen stammen aus Samen Studien electrocorticographic Aufnahmen aus kortikalen Arealen und das Kleinhirn während der Epilepsiechirurgie und Tumorforschung Targeting 1. Ein wichtiger Meilenstein in Weiterentwicklung solcher Aufzeichnungsverfahren hat die Einführung der stereotaktischen Technik gewesen , die zwei sicheren und effizienten Zugang zu tiefen Strukturen des menschlichen Gehirns zur Verfügung stellt. Neben der klinischen Behandlung, Gehirn invasive Ansätze beim Menschen bieten eine ziemlich einzigartige Gelegenheit, die Gehirnfunktion in Bezug auf die aufgezeichneten Aktivitätsmuster durch externe Stimuli moduliert zu untersuchen, insbesondere bei der intra- und postoperativen invasive Aufnahmen bei Patienten tiefen Hirnstimulation unterziehen (DBS ) Verfahren. Die Anwendbarkeit und Nützlichkeit der DBS wurde in verschiedenen neurologischen und neuropsychiatrischen Erkrankungen an der Parkinson-Krankheit (PD) zu Zwangsstörung (OCD) oder Bedingungen wie chro adressiertnic Bewusstseinsstörungen (DOC).
Insbesondere hat DBS in der Behandlung von Parkinson-Krankheit 3,4,5, essentiellem Tremor 6, primär / generali segmentale Dystonie 7,8,9, Huntington-Krankheit 10,11, behandlungsresistenter Depression 12,13, angewendet worden Nicotin und Alkoholsucht 14, Alzheimer-Krankheit 15,16, Tourette-Syndrom 17 und chronische Erkrankung des Bewusstseins (DOC) 18,19,20.
Im Rahmen der Neuropsychiatrie DBS ist eine zugelassene / CE-gekennzeichnete Behandlung für Zwangsstörung (OCD), um den vorderen Schenkel der inneren Kapsel Targeting (ALIC) und ist im Gebrauch die ventrale Kapsel / ventralen Striatum / ventralen Nucleus caudatus Targeting (VC / VS), Nucleus accumbens (NAC) und der Nucleus subthalamicus (STN) 21. In Bezug auf DBS in OCD 22, betonen neuere Studien die Rolle von STN in den Mechanismus der zwanghafte Kontrolleing von speicherbasierten Paradigmen 23,24,25 nutzen.
Bemerkenswert, Modulation der Gehirnaktivität unter dem Einfluss von Paradigmen mit kognitiven und emotionalen Konnotation wurde in DOC 26,27,28,29 betont. Somit wird DBS nicht nur für chronische DOC als prospektive Behandlung hervorgehoben, sondern auch als klinisches Verfahren, das durch die Aufnahme lokaler Feldpotentiale (LFP) vom Zentrum des Thalamus Regionen intra- und post die Möglichkeit, das Studium der Modulation der subcortical Aktivität eröffnet operativ.
In DBS wird neuro Implantation von Elektroden auf der stereotaktischen Technik basieren, die für die Gehirn anatomischen Einschränkungen sicher macht, während Patienten Stimulation durch intraoperative Impuls-Stimulationstests angepasst ist. Postoperative LFP Aufzeichnung möglich nach der anfänglichen Implantation der DBS-Elektroden und vor der Internalisierung des Impulserzeugers. Insbesondere ist die vorliegende Protokoll centered auf postoperative Aufnahmen.
In Kombination mit LFPs können gleichzeitige Aufnahme der kortikalen Gehirnaktivität beispielsweise durch nicht-invasive Elektroenzephalographie (EEG) oder Magnetoenzephalografie (MEG) 30,31 erreicht werden. Diese beiden nicht-invasiven Methoden sind aufgrund ihrer hervorragenden Zeitauflösung unterstützt. Während MEG weniger betroffen als EEG ist durch Schädel - Effekte 32, erscheint EEG vorteilhaft , weil sie weniger durch Artefakte , die durch metallische Implantate und Kopfbewegungen verursacht betroffen ist , und es kann Bett-Seite 33 an den Patienten verwendet werden. Durch gleichzeitige Aufnahme der kortikalen-subkortikalen Hirnaktivität (EEG LFP und / MEG) in Reaktion auf angelegte emotional-kognitiven Paradigmen, unterschiedliche Beziehungen zwischen Gehirn Oszillationen und das Verhalten auf der Grundlage der Zeit-Frequenz - Kopplungsanalysen 34 festgestellt werden konnte. Im Gegenzug könnten solche Muster an potenzielle Biomarker für eine individualisierte kognitiven und emotionalen Zuständen und o des Patienten führenptimization der Behandlungsparameter individualisierten Einstellungen berücksichtigen.
Die folgenden Protokoll festgelegten Ziele invasive und nicht-invasive neurophysiologischen Aufzeichnung beim Menschen für die Beurteilung der kognitiven und emotionalen Funktion, die speziell auf die kortikalen und subkortikalen Ebene (EEG und LFP).
Zunächst erläutert die neurophysiologischen Aufnahmeschritte in dem Video, welches die vorliegende Protokoll begleitet, entsprechen einer Aufnahme mit einem Beispiel Patienten mit Bewegungsstörungen, die die so genannte Flanker Aufgabe (Beispiel 1) durchführt.
Zweitens Schritte in dem Protokoll werden durch die Konzentration auf die Methodik der Analyse und Probenergebnisse genommen aus einem veröffentlichten DBS Beispiel bei chronischen DOC 26 (Beispiel 2) diskutiert.
Diese beiden Beispiele verdeutlichen die Anwendbarkeit des vorgeschlagenen Protokolls zu DBS-behandelten Patienten mit unterschiedlichen Erkrankungen und verschiedenen experimentellen Paradigmen.
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Protocol
Der DBS Verfahren und invasive Aufnahmen wurden von der Ethikkommission der Universitätsklinik Düsseldorf, Bundesrepublik Deutschland.
1. Experimentelle Paradigm Entwurf und Einwilligung des Patienten
HINWEIS: Entwerfen Sie eine experimentelle Paradigma oder eine bestehende experimentelle Paradigma wählen einen kognitiven / emotionalen Aspekt von Interesse abzuzielen.
- Wählen Sie Patienten, die DBS-Behandlung unterziehen. Fragen Sie, ob die DBS-Patienten die Einschlusskriterien der Studie erfüllt. Wenn ja, erhalten unterzeichnet informierte Einwilligung von Patienten und / oder Ethikkommission (falls zutreffend) eine postoperative Erfassung und Anwendung des jeweiligen kognitiven Paradigma durchzuführen.
Hinweis: Die postoperative Aufzeichnung erfolgt am nächsten Tag nach einer anfänglichen DBS Operation wird für DBS Elektrodenimplantation durchgeführt (zusammen mit ihren entsprechenden Externalisierung aus dem Kopf mittels spezieller Kabel) und vor einer zweiten Operation erfolgt regarding dauerhafte Implantation der DBS-Elektroden und Stimulator.- In der Flanker Aufgabe (Beispiel 1), erhalten unterzeichnet Einverständniserklärung von einem Patienten mit Bewegungsstörungen (z. B. Huntington oder Parkinson-Krankheit), um eine postoperative Aufnahme auszuführen. Das Ziel des Experiments Flanker ist die Fähigkeit des Patienten zur Anpassung an testen Verhalten auf Fehler und wie eine solche Anpassung zu bestimmen, auf die Gehirn oszillatorischen Aktivität im kortikalen und subkortikalen Ebene reflektiert wird.
HINWEIS: Die Wahl eines Patienten wird durch die kognitiven Mechanismus diktiert und des Patienten Störung behandelt werden. In der DBS-DOC Fall-Beispiel (Beispiel 2), eine weibliche DOC Patienten, der an einer Kopfverletzung im Alter von 38 erlitten wurde ausgewählt. Wegen des Patienten Zustand informierte Zustimmung zu begrenzen, DBS Behandlung und experimentelle Beteiligung wurde ausschließlich von der lokalen Ethikkommission genehmigt. Das Hauptziel der DOC postoperativen Aufnahme war zu bestimmen, obGehirnfunktion in Bezug auf die kognitiv-emotionalen Verarbeitung war bei einem Patienten mit einer solchen schweren Störung des Bewusstseins noch intakt.
- In der Flanker Aufgabe (Beispiel 1), erhalten unterzeichnet Einverständniserklärung von einem Patienten mit Bewegungsstörungen (z. B. Huntington oder Parkinson-Krankheit), um eine postoperative Aufnahme auszuführen. Das Ziel des Experiments Flanker ist die Fähigkeit des Patienten zur Anpassung an testen Verhalten auf Fehler und wie eine solche Anpassung zu bestimmen, auf die Gehirn oszillatorischen Aktivität im kortikalen und subkortikalen Ebene reflektiert wird.
- Wählen Sie zwischen der Art des Reizes präsentiert werden (auditiv, visuell). Identifizieren Sie die Reihenfolge der Stimuluspräsentation (Block oder Misch Design). Wählen Sie die Dauer des Reizes unter Stimulus-Intervall (ISI) und die Anzahl der Versuche.
- Als ein praktisches Beispiel führen die Flanker Aufgabe (Beispiel 1, 1A), die Fähigkeit zu untersuchen Verhalten als Reaktion auf das Engagement der Antwortfehler anzupassen. Diese Aufgabe besteht aus visuellen Reizen (flankiert Pfeilspitzen vertikal angeordnet).
- Flankieren den Zielreiz (Pfeilspitze in der Mitte) durch zwei benachbarte Pfeile (oben und unten Target) entweder in der gleichen (kompatibel) oder entgegengesetzt (inkompatible) Richtung weisen, sollten zusätzlich Studien (Kreis in der Mitte) zu stoppen.
- Präsentieren Sie das Ziel nach links oder rechts, und bitten Sie den Teilnehmer eine res zu drückenponse Taste mit der linken oder rechten Daumen. In der Stopp-Studien, weisen die Teilnehmer nicht zu reagieren. Anwesend flankers 200 msec vor Ziel. Zeigen Sie das Ziel für 300 ms und stellen Sie die Reaktion Stimulus-Intervall bis 2000 ms (verstrichene Zeit wird durch einen Cue-Ton angezeigt). Präsentieren insgesamt vier Blöcke von 120 Stimuli jeweils bei dieser Aufgabe. Anwesend kompatibel (60%), unvereinbar (20%) und Stop-Studie (20%) Stimuli zufällig.
HINWEIS: Dieser Wert für die Stimulus-Intervall wurde eine große Anzahl von Anrufen in Abwesenheit Versuchen zu vermeiden gewählt, wenn der Motor behinderte Patienten berücksichtigen. Flankers und Ziel wurden gleichzeitig ausgeschaltet. Die Patienten wurden so schnell wie möglich zu reagieren angewiesen.
HINWEIS: In der DBS-DOC Fall-Beispiel (Beispiel 2, Abbildung 1B), die experimentelle Paradigma bestand aus neutralen , nicht Adressierung und vertraut-Adressierung Sprach Reize 26 in einem Block - Design. Die Reizdauer wurde auf 4 Sekunden Set-up (mit einer randomisierten 4 5 sec Inter-Stimulus-Intervall). A total von 80 Versuchen pro Zustand wurden in diesem Paradigma (Abbildung 1B) betrachtet.
- Stellen Sie sich die physikalischen Einschränkungen und Bedürfnisse des Patienten in einer postoperativen Einstellung Aufnahme. Insbesondere bestimmen, ob der Patient in der Lage ist die Verwendung der Computertastatur zu machen, indem die Anwesenheit von überschüssigem Chorea Bewegungen (Huntington-Krankheit) oder Tremor (Parkinson-Krankheit) berücksichtigen.
- Stellen Sie sicher, dass der Patient in der Lage, den Monitor (als Lokalanästhetikum oder der stereotaktischen Kopfrahmen während DBS Operation angewendet werden, im Gesicht und um die Augen verursacht haben Schwellung) zu sehen und bequem sitzen während der Dauer des gesamten Experiments. Sie nicht das Experiment durchführen, wenn der Patient diese Bedingungen nicht erfüllt.
2. Set-up für die postoperative Subcortical (LFP) und Fläche (EEG) Recordings
- Richten Sie die EEG - Geräte (siehe Materialien in den ergänzenden Dateien) im Zimmer whier wird das Experiment durchgeführt werden. Schließen Sie den Aufzeichnungs Computer mit dem EEG-System. Starten Sie die EEG-Recording-Software (siehe "Materialien" in den ergänzenden Dateien).
- Klicken Sie auf "Datei" und dann auf "Neuer Arbeitsbereich", um den Arbeitsbereich in der EEG-Recording-Software definieren, indem festgelegt wird: mit einer Abtastfrequenz von 5 kHz, ein Low-Cut-off (DC) und eine hohe Grenzfrequenz (1000 Hz), EEG-Kanäle nach dem internationalen 10/20 System (zumindest: fronto-central (Fz), centro-central (Cz), fronto-polar Referenz (Fpz) und Boden (Mastoid) und darüber hinaus parieto-central (Pz auf dem Paradigma abhängig) , occipito-central (Oz), zeitliche (T3 / T4), fronto-medial (F3 / F4), fronto-lateral (F7 / F8)) (2D) und LFP - Kanäle (LFPL 0, LFPL1, LFPL2, LFPL3 ( linke Hemisphäre, 2C); LFPR0, LFPR1, LFPR2 und LFPR3 (rechte Hemisphäre)). Klicken Sie auf "Monitor", um zu überprüfen, dass die angegebenen Kanäle werden nun für die Aufnahme einrichten.
HINWEIS: Die preparation vorher im Arbeitsbereich wird empfohlen, um das Experiment Zeit zu minimieren und unerwartete Veränderungen in der Aufzeichnung der Konfiguration zu überwachen. Es wird empfohlen, die höchste zeitliche Auflösung, richtige Filtereinstellungen, ausreichende Abtastrate und die richtige Auswahl der Kanäle von Interesse zu gewährleisten. - Stellen Sie den Reiz Computer, indem Sie den parallelen Anschluss an das EEG-System zu verbinden. Starten Sie den Reiz Software. Klicken Sie auf "run" das Paradigma der Funktionalität auf dem Computer des Monitors zu überprüfen (visuelle Reize) und / oder Lautsprecher (akustische Reize, Sound Cues). Stellen Sie sicher, Marker (Trigger) aus dem Stimulus-Computer in das Aufzeichnungssystem während der Präsentation von Stimuli und Subjekts Antwort lesen durch ihr Aussehen Überprüfung auf dem EEG-Recording-Software.
HINWEIS: Auslöser von Stimulus-Geräte müssen Dauer von & mgr; s mindestens 200 haben durch das EEG-System erkannt werden (mit 5 kHz Abtastrate). Da Trigger sind Marker der ereignis related-Ereignisse oder evoziert damit zusammenhängende Aktivitäten, die ihre Funktion zur posterioren Datenanalyse entscheidend zu einem bestimmten Zeitraum auftreten. In der DBS-DOC Fall-Beispiel (Beispiel 2), bestand das experimentelle Paradigma (Abbildung 1B) auditiver Reize (vertraut eine ungewohnte Stimmen) so Trigger am Anfang und Ende jeder Reize festgelegt wurden. Im Falle der Flanker - Task (Abbildung 1A) Auslöser waren zu dem Zeitpunkt eingestellt, wenn 1) die flankers und Zielreize erschien, 2) der Patient reagiert und 3) wurde ein Cue - Ton , den Patienten zu informieren , dass die Antwortzeit zu hören verstrichen war. - Markieren Sie den Scheitel des Kopfes des Patienten als der Mittelpunkt zwischen dem nasion und Inion durch einen Hautmarkierungsstift verwendet und durch Anschluss an die Beratung eines erfahrenen Neurologen oder EEG-Spezialist. Zusätzlich Markenpositionen EEG-Elektrode, die 10-20-System gewählt. Bringen EEG Oberflächenelektroden auf die Kopfhaut, indem er jede ausgewählte Stelle mit einem isoprop Reinigungyl Alkoholtupfer und nach der Verwendung von Schleifpaste.
HINWEIS: Solche Aktionen durch die Platzierung von Bandagen auf dem Kopf des DBS Patienten eingeschränkt sind. ein erfahrener Neurologe sollte jedoch in der Lage eine geeignete (ungefähre) Position für jede Elektrode / Kanal zu definieren. Um einen ordnungsgemäßen Kontakt bewegen Haare aus dem Weg (falls zutreffend). Die Verwendung von selbstklebenden Elektroden durch chirurgisches Band befestigt könnte aufgrund der Leichtigkeit der Platzierung verwendet werden. - Verbinden Sie veräußerlichten DBS Elektroden an eine perkutane Verlängerung. Schließen Sie die perkutane Verlängerung an externe Kabelanschluss. Schließen Sie jede Elektrode durch den externen Kabelanschluss an das EEG Steuerbox nach der EEG-Aufzeichnung Set-up zur Verfügung gestellt. Verbinden EEG Kopfhaut Elektroden an das EEG Kontrollbox durch erste Boden und Referenz anschließen.
- Bringen Sie EMG-Elektroden (Referenz- und aktiven Elektroden) an bestimmten Muskeln, indem zunächst mit einem Isopropylalkohol Pad, um den Bereich zu reinigen. Schließen Sie EMG-Elektroden EEG Schaltkasten.
Hinweis: Dieser Schritt ist optional und vor allem durchgeführt, wenn der Motor Aufgaben in das Paradigma betrachtet werden oder wenn es erforderlich ist, um die Aktivität der Muskeln, wie im Falle von Patienten mit motorischen Störung zu überwachen. - Klicken Sie auf "Monitor", um Daten zu visualisieren. Stellen Sie sicher, EEG und EMG-Signale auf dem Monitor angezeigt werden artefaktfreie durch das Vorhandensein von Jittern und überlagerter Hochfrequenzkomponenten zu erfassen. Überprüfen Sie Richtlinien über Arten von Artefakten und anderen Aufnahme electroencephalographic Signale Faktoren 35 und / oder fordern Sie technische Beratung durch einen erfahrenen Neurologen oder Neurowissenschaftler , bis Sie mit der Art der Störungen in solchen physiologischen Aufnahmen vorhanden vertraut.
HINWEIS: Dieser Schritt ist wichtig, qualitativ hochwertige Signale für die Offline-Datenanalyse zu gewährleisten.
3. Die Aufnahme von Post-operative Subcortical (LFP) und Fläche (EEG) Hirnaktivität
- Bereitstellung von Anweisungen an den Patienten. Achten Sie auf die patienten ist bequem und weisen ihm / ihr das Experiment jederzeit von Beschwerden zu stoppen.
- Klicken Sie auf "Run" auf den Stimulus-Software, so dass der Patient das Paradigma auf dem Monitor und / oder hören Sie die Cue-Töne und Klänge in der Lage zu sehen. Führen Sie eine Trainingseinheit mit dem Patienten, bis er / sie mit der Aufgabe bequem ist. Starten Sie die gleichzeitige Aufnahme von subcortical (LFP) und kortikalen (EEG) die Hirnaktivität während der Patient die experimentelle Aufgabe ausführt.
HINWEIS: Bei der DBS-DOC Fallbeispiel (Beispiel 2) das Paradigma der auditorische Stimuli in einem Block Design bestand , wie in (1B) beschrieben wird . Im Falle der Flanker Aufgabe (Abbildung 1A), visuelle Reize zu entsprechenden drei Bedingungen (kompatibel (60%), unvereinbar (20%) und Stop-Studie (20%)) wurden in jedem Block (Misch Design) zufällig präsentiert, jeder Block bestand aus 120 Stimuli und das Paradigma bestand aus insgesamt vier Blöcke. Nach der Aufgabe wurde fertig gestellt,Daten für eine spätere Screenen off-line auf der Festplatte des Aufzeichnungs Computer gespeichert und quantitative Analyse.
4. Datenanalyse
Hinweis: Die Schritte von EEG-Analyse-Software:
- Öffnen Sie die EEG-Analyse-Software (siehe "Materialien" in den ergänzenden Dateien) und klicken Sie auf "Neu", um die aufgezeichneten Daten visualisiert durch die Angabe der Ordnerpfade (roh, Geschichte und Export) und dem Namen des Daten. Klicken Sie auf "Kanäle bearbeiten" Kanäle von Interesse auszuwählen. Benennen Sie Kanäle, falls erforderlich.
- Klicken Sie auf "Channel Preprocessing" und dann "New Reference" erneut Referenz Kontakte benachbarten DBS und somit virtuelle bipolaren Kontakte für linke und rechte Hemisphären erstellen. Wiederholen Sie diesen Vorgang eine virtuelle Montage für EEG-Kanäle zu erstellen.
HINWEIS: Eine bipolare Wiederverweis Montage ist wichtig Volumen Leitungseffekte zu minimieren und die räumliche Zuverlässigkeit der aufgezeichneten Signale zu verbessern. Im Falle des DBS-DOC case Beispiel (Beispiel 2) wurden die folgenden bipolaren Kanäle wurden Set-up DBS: LFPL01, LFPL12, LFPL23, LFPR01, LFPR12, LFPR23 und EEG: Cz / Fz, Pz / Cz, Oz / Pz, T3 / Cz und T4 / Cz . Es ist würdig zu betonen, dass während MEG aufgezeichneten Signale Referenzfrei sind, EEG-Signale wahr nicht willkürlicher Nullwert-Signale in einem gemeinsamen Rahmen zu setzen referenziert werden müssen. Bestehende EEG Referenzsysteme sind: Cz oder FPz Referenz, durchschnittlich zwischen den Elektroden an den beiden Ohren, mittlere Referenz (alle Kanäle unter Berücksichtigung), zwei- oder Single-mastoid Referenz- und Rauschreferenz. Zum Zwecke der Datenanalyse können verschiedene Wiederreferenzanordnungen verwendet werden, beispielsweise bipolare Kontakte geeignet sind, wenn die Zeit-Frequenz-Kopplungsanalyse zwischen DBS und EEG-Signale Targeting. - Klicken Sie auf "Rohdaten Inspektion", um Bildschirmdaten für physiologische und Ausrüstungen Artefakte mit Schwerpunkt auf Motor jittering und Anlagen Störungen. Mark Segmente, in denen Artefakte vorhanden sind.
NOTE: Wenn die Kopfhaut der Aufzeichnung der Aktivität und gleichzeitig subcortical Aktivität durch DBS externalisiert führt, erscheint EEG robuster Rauschartefakte als Techniken wie MEG, für die aktuellen Bemühungen zur Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern gerichtet ist. Aufgrund dass Patienten mit motorischen Störungen, die aus unwillkürlichen Bewegungen wie Chorea leiden und muss das Auftreten von Motor jittering Artefakte Zittern in den aufgezeichneten Signalen zu bilanzieren. Andere Störungen sind aufgrund Auge blinkt und Ausrüstung im Zusammenhang mit Artefakten. Die Konzentration auf die DBS-DOC Fallbeispiel (Beispiel 2), Artefakt Inspektion wurde durch visuelle Untersuchung durchgeführt und Artefakte manuell markiert wurden. Die alleinige Anwendung eines automatischen Artefakts Inspektionsmodus wird als einige Artefakte entmutigt möglicherweise nicht durch eine spezifizierte Kriterium erkannt werden. - Klicken Sie auf "Datenfilterung" und dann "IIR-Filter", um einen Notch-Filter angeben: 50Hz (Umgang mit Stromleitung Artefakte) und Butternullphasenfilter durch spezifischefying Low- und High-Cutoff-Parameter. Klicken Sie auf "Change Sampling Rate" die aufgezeichneten Signale auf eine bestimmte Frequenz neu berechnen und auch die Interpolation Typ angeben.
- In der DBS-DOC Beispiel; Low Cutoff gesetzt: 1,0000 Hz, Zeitkonstante: 0.1592s, Steigung: 48 dB / Okt; Hohe Cutoff: 80,0000 Hz, konstante Zeit: 0,1592 sec und 48 dB / Oktave und Neuberechnungsfrequenz auf 512 Hz durch Spline-Interpolation.
HINWEIS: Optional, führen Filterung durch benutzerdefinierte Skripte basierend auf bekannten Open-Source-Suiten: Fieltrip (http://www.fieldtriptoolbox.org/), EEGLab (http://sccn.ucsd.edu/eeglab/) und SPM8 ( http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm8/). Im Fall des ersten, Beispielskripte sind in (http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/preprocessing) zur Verfügung gestellt. Andere Suiten bieten auch eine ausführliche Dokumentation zu diesem Schritt durchzuführen.
HINWEIS: Downsampling an jedem Punkt den Frequenzraum begrenzen, die zur weiteren Analyse nach dem Nyquist-Theorem verfügbar ist. die DBS-DOC Fall-Beispiel bedenkt, ist die gewählte Abtastfrequenz von 512 Hz geeignet, wenn ein Frequenzband bis zu 80 Hz berücksichtigen.
HINWEIS: Alternativ führen Downsampling durch benutzerdefinierte Skripte basierend auf bekannten Open-Source-Suiten: Exkursion (http://www.fieldtripbox.org), EEGLab (http://sccn.ucsd.edu/eeglab) und SPM8 ( http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm8/). Im Fall des ersten, vorgesehen Skriptbeispiele (http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/preprocessing). Andere Suiten auch Unterlagen über diesen Schritt auszuführen.
- In der DBS-DOC Beispiel; Low Cutoff gesetzt: 1,0000 Hz, Zeitkonstante: 0.1592s, Steigung: 48 dB / Okt; Hohe Cutoff: 80,0000 Hz, konstante Zeit: 0,1592 sec und 48 dB / Oktave und Neuberechnungsfrequenz auf 512 Hz durch Spline-Interpolation.
- Export bipolare Kanäle von Interesse durch "Export" und dann "Generic Data" klicken. Export Datenmarkierungen (Trigger) von "Export" klicken und dann auf "Marker". Benennen Sie die Dateien durch die Auswahl eines "txt" Format exportiert werden.
HINWEIS: Um die Toolbox Exkursion in den nächsten Schritten zu verwenden, es wird vorgeschlagen, Kanäle in (.txt) Multiplex-Format zu exportieren und auch zu empfehlened eine "vmrk" Datei enthalten, die Daten zu exportieren Kanäle umfasst. Es ist auch eine (.txt) Format für die exportierten Marker vorgeschlagen zu verwenden, während die Möglichkeit, Markierungen Überspringen schlechten Intervalle in Schritt 4) ausgewählt entsprechenden angeboten wird.
Hinweis: Die Schritte von Fieldtrip mit:
- Start-up MATLAB und klicken Sie auf "set path" den Pfad Fieldtrip Ordners hinzuzufügen, falls es nicht standardmäßig durchgeführt wird.
- Setzen Sie die Daten , die zuvor vorverarbeitet und Marker in eine Zelle-Array-Struktur , die mit den Funktionen innerhalb Fieldtrip kompatibel ist , indem Sie ( Script 1-Ergänzungs Datei ) ohne zu spezifizieren fehlt: Das Verzeichnis, das die EEG und LFP - Dateien aus Schritt enthält 7 , Kanalnamen, Abtastfrequenz, Probenzeit, Studien. (Optional) Führen Sie Artefaktunterdrückung durch "Kommentar-" der angegebenen Code. Dieses Skript speichert die Daten in einer angegebenen Datei, die in der nex verwendet werdent Schritten.
- Berechnen Sie LFP die spektrale Leistung für die Kanäle von Interesse , indem Sie ( Script 2-Ergänzungs Datei ) ohne zu spezifizieren fehlt: das Verzeichnis, das die Datei (Script 1) gebildet wird, enthält, wobei das Verfahren (Wavelet oder mtmconvol), die Breite des Fensters, die Frequenz von Interesse (fOI), Zeitperiode von Interesse (toi) und Frequenzbasislinienkorrektur (optional). Definieren Sie die Art der statistischen Analyse und der gewünschten p-Wert.
Hinweis: In der DBS-DOC Fall-Beispiel (Beispiel 2), Power-Analyse durch die Berücksichtigung eines Stimulus-Locked-Wavelet-Zeit-Frequenz-Analyse (Morlet Wavelet (width = 5)) durchgeführt wurde, mit Hanning Verjüngung, einen Frequenzbereich von 4-80 Hz und eine Zeitperiode zwischen -1 bis 4 sec. Durch die Wavelets haben variable Auflösung in Zeit und Frequenz. Wenn eine Wavelet-Auswahl, entscheiden wir einen Kompromiss zwischen der zeitlichen und spektralen Auflösung. Insbesondere besitzen Morlet-Wavelets eine Sinusform Gewichted von einem Gauß-Kern, der die Erfassung lokaler Schwingungskomponenten in einer Zeitreihe ermöglicht. die Breite Parameter kleiner zu machen wird die zeitliche Auflösung auf Kosten der Frequenzauflösung und umgekehrt erhöhen. Die spektrale Bandbreite bei einer F gegebenen Frequenz gleich F / Breite x 2 (für F = 40 Hz und Breite = 5 die spektrale Bandbreite 16 Hz), während die Wavelet Dauer gleich Breite / F / pi (für F = 40 Hz und Breite = 5 die Wavelet Dauer 39,8 msec). Ein Cluster basiert (Zeit- und Frequenzvariablen) approach Randomisierung wurde für die statistische Analyse zwischen den Bedingungen (p-Niveau von 0,05 in einem zweiseitigen Test) 39 verwendet. Als ein Beispiel für die von der Durchführung dieser Schritt erhaltenen Ausgabe finden Sie in 4A und 4D. Zeit-Frequenz-Response-Analyse wurde durch benutzerdefinierte Skripte basierend auf dem Open-Source-Software Fieldtrip (http://www.fieldtriptoolbox.org/). Konkrete Angaben dazu, wie ein Skript anpassen Dieser Schritt kann zu erreichenwerden in http://www.fieldtriptoolbox.org/reference/ft_freqanalysis gefunden. - Berechnen Kohärenz zwischen subcortical und kortikalen Signale durch Ausführen ( Script 3-Ergänzungs Datei ) ohne angeben zu vergessen , zu: Länge von Segmenten, Überlappung Prozentsatz, Frequenz von Interesse. Wie für die statistische Analyse der Art der Analyse angeben und die gewünschte p-Wert.
Hinweis: Coherence Analyse misst die lineare Beziehung zwischen zwei Zeitreihe mit einem konstanten Verhältnis von Amplituden 40. In der DBS-DOC case-Beispiel (Beispiel 2), Segmente von 1 sec mit 50% Überlappung wurden zur Berechnung der Kohärenz durch die Fokussierung auf dem Frequenzintervall zwischen 1 und 25 Hz verwendet. Ein Cluster-basierte (Zeit und Frequenz - Variablen) wurde Randomisierung Ansatz für intraindividuelle Analyse der Kohärenz (p-Niveau von .05 in einem zweiseitigen Test) 41 verwendet. Darüber hinaus wurde der Imaginärteil der Kohärenz 42 berechnet.
Die basic Schritte ein Skript für die Kohärenzanalyse anzupassen, sind in (http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/coherence). Als ein Beispiel für die von der Durchführung dieser Schritt erhaltenen Ausgabe finden Sie in 4B. - Berechnen Kreuzfrequenz Phasenamplitude Kopplung (PAC) durch die Software - Implementierung als ergänzende Datei in Bezug läuft 43.
Hinweis: In der DBS-DOC Fallbeispiel (Beispiel 2), Cross-Frequenzanalyse PAC wurde berechnet, indem der gesamte Frei Artefakt unter Verwendung für verschiedene Kombinationen von bipolaren Kanäle aufzeichnen. Insbesondere 43 normalisierte direkte PAC (ndPAC) bevorzugt wurde , weil es die Bestimmung der signifikanten Kopplung an verschiedenen statistischen Ebenen aktiviert , während Einstellungen zu den nicht-signifikanten Kupplungen auf Null (p-Ebene: 0,1). Als Ergebnis reicht, Frequenz für Phasen- und Amplitudenkopplungs könnte auf der Grundlage ihrer Bedeutung ausgewählt werden. In der DBS-DOC Fall beispielsweise im Bereich der Phasenfrequenz betrachtet was 3-22 Hz, während die Amplitudenfrequenzbereich wurde auf 35 bis 80 Hz eingestellt werden. Die LFP-EEG-Kanäle für PAC Analyse ausgewählt wurden LFPR23 und EEGFzPz auf der Grundlage des in Schritt 5.5 durchgeführt Kohärenzanalyse. Als ein Beispiel für die von der Durchführung dieser Schritt erhaltenen Ausgabe finden Sie in 4C.
Abbildung 1: Beispiel für Experimentelle Paradigmen (A) (Beispiel 1) Flanker Aufgabe:. Zielreiz (Pfeilspitze in der Mitte) wird flankiert von zwei benachbarten Pfeile (oben und unten Target) entweder in die gleiche (kompatibel) oder gegenüber (nicht kompatibel) Richtung, Stop-Studien (Kreis in der Mitte) wurden ebenfalls berücksichtigt. Wenn das Ziel nach links oder rechts gerichtet ist, ist ein Teilnehmer jeweils eine Antworttaste mit dem linken oder dem rechten Daumen zu drücken, in den Anschlag Studien Teilnehmer angewiesen werden, nicht zu reagieren. Die Flanker Aufgabe hier verwendet wurde, von der ursprünglich geplanten Version von Prof. C. Beste geändert und seine Gruppe (bitte Bestätigungen sehen). (B) (Beispiel 2) emotional-kognitive Sprach Paradigma verwendet in der DBS-DOC Fall-Beispiel. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
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Representative Results
Für die DBS-DOC Fall (Beispiel 2), wir jetzt Daten über Ziel Lokalisierung für DBS-Implantation zur Verfügung stellen, schematische Darstellungen von LFP-Elektrode und EEG eingerichtet, exemplarische Aufnahmen von EEG und LFP-Aktivität (Rohdaten) und repräsentative Analyse-Ergebnisse:
2A zeigt geplanten Trajektorie (schwarze Linie) projiziert auf einen anatomischen Atlas 36, Abschnitt 30, koronare, 10,7 mm hinter der vorderen Kommissur (AC) (rote Linie: AC-PC - Ebene). Rote Kreise markieren Zielbereiche der untersten 15 mm (Atlas Rastergröße: 10 mm) mit IML = interne Mark Lamina Thalamus und Rt = retikulären Thalamuskern. VA = ventroanterior Thalamuskern, AV = anteroventral Thalamuskern, AM = anteromedial Thalamuskern, Fa = fasciculosus Kern, Itha = interthalamic Haftung.
2B zeigt die endgültige electrode in der zentralen auf einem 3D - visualisierte Thalamus Atlas 37. Zwei orthogonale Schnittebenen entlang der Achse der Elektrode in der rechten Hemisphäre nach Registrierung der 3D - Atlas mit dem CT - Scan mittels des Atlas 38. Die vier Kontakte der Elektrode (blaue Kreise) wurden im rechten Thalamus (R-Thal) gelegen. GPi = interne Pallidum, STN = Nucleus subthalamicus, = ZI zona incerta, RPT = retikulären perithalamic Kern, RN = roten Kern.
2C zeigt eine schematische Zeichnung der DBS - Elektrode. Elektrodenkontakte wurden offline neu referiert, was in drei bipolaren LFP-Kanäle für jede Hemisphäre (LFPL01, LFPL12, LFPL23, LFPR01, LFPR12 und LFPR23). EEG - Elektrode Montage (10-20 - System) mit Elektroden während der Aufnahme im DOC Fall-Beispiel (Fz, Cz, Pz, Oz, T4, T3 und Fpz) (2D) verwendet
3A zeigt exemplarische EEG - Aufzeichnungen entsprechend bipolare Kanäle: T4Cz, T3Cz, PzCz, OzPz und FzPz im Falle des neutralen , nicht Adressierung Zustand (links) und der bekannten Adressierung conditiauf (rechts).
3B zeigt exemplarische LFP Aufnahmen auf bipolare Kanäle entsprechen: LFPL23 und LFPR23 im Falle der Nicht-Adressierung Zustand (links) und der bekannten Adressierung Zustand (rechts).
Abbildung 3:. Beispielhafte Aufnahmen (aus Beispiel 2) (A) Abbildung zeigt EEG recordings.The Abbildung zeigt EEG - Spuren entsprechend bipolare Kanäle (siehe 4.2 Einzelheiten zum Kanal Neureferenzierung). (B) Abbildung zeigt LFP recordings.The Abbildung zeigt LFP Spuren im Fall von linken und rechten Hemisphären (siehe 4.2 Einzelheiten zum Kanal Neureferenzierung) auf bipolare Kanäle entsprechen. Bitte hier klicken , um eine größere Version zu sehendiese Figur.
Analyse von Stimulus-locked Modulation der Oszillationen innerhalb der zentralen Thalamus ergab eine rechtsseitige signifikant (p = 0,044) Erhöhung der Beta - Leistung (12-25 Hz) innerhalb der ersten Sekunde (0,45-0,55 sec) , wenn kontras neutral Adressierung vs. vertraut -addressing Bedingungen (4A).
Kohärenzanalyse zwischen Kanälen PzCz (EEG) und LFPR23 (rechte Hemisphäre) zeigte einen signifikanten Unterschied zwischen den Bedingungen im theta Band. Auch ist der Imaginärteil der Kohärenz zeigte Abweichung von Null anzeigt , eine Phasenverzögerung zwischen LFP und EEG (4B). Lokale Analyse ergab signifikante (p = 0,01) Theta-Gamma - PAC (mit max. Bei 5-to-75 Hz) für den richtigen lokalen LFP - Kanal (LFPR23-LFPR23) in der bekannten Adressierungs Zustand (4C).
(4D, Top). Es ist auch bemerkenswert, dass Gamma um 40 Hz (grüner Kreis / Ellipse) durch eine breitere und höhere Gamma bis zu 80 Hz (4D, Top) folgt. Eine signifikante Theta Erhöhung der vertrauten-Adressierung Zustand bei 4-6,5 Hz und die Zeitdauer von 2,6 bis 2,8 sec (roter Kreis), (p = 0,048) auf LFPL23 sowie eine erhöhte Tendenz auf LFPR23 offenbart wurden (4D, unten) .
Abbildung 4: Zeit-Frequenz - Leistungsanalyse und EEG-LFP Coherence (aus Beispiel 2) (A) Lokale Schwingungsleistung kontras neutral gegenüber vertraut-Adressierung Bedingung für die ersten Sekunde an ;. Farbcode stellt t-Werte. Top: l inks Kanal LFPL23; Unten: rechter Kanal LFPR23. Signifikante Beta Anstieg (p = 0,044) bei 12-25 Hz, 0,45-0,55 sec (roter Kreis). (Mit Genehmigung von 26). (B) Familiar-Adressierung Zustand (rote Linie) und neutralen , nicht-Adressierung Zustand (blaue Linie). Coherence wurde von Epochen auf unabhängige 1 sec Segmente berechnet mit einer Dauer von 0-4 sec und über alle Segmente hinweg gemittelt. Nach oben (links): Kohärenz mit Kanal LFPL23 linken Hemisphäre, Top (rechts): Die Kohärenz mit Kanal LFPR23 rechten Hemisphäre. Signifikante Unterschiede zwischen den Bedingungen (p = 0,044) durch roten Kreis / Sterne für Kohärenz mit Kanal PzCz angegeben, 5-6 Hz. Unten: Imaginary Teil der Kohärenz zwischen LFPR23 rechten Hemisphäre und Kanal Cz (grüner Kreis) zeigt Abweichung von Null eine Phasenverzögerung zwischen LFP und EEG-Sinn (also nicht auf Grund zu bewirken Volumen Leitung). (Mit Genehmigung von 26)"_blank"> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
4C: Phase Amplitudenkopplungs (PAC) (aus Beispiel 2) PAC zur Phasenfrequenzen 3-22 Hz und Amplitude Frequenzen 35-80 Hz.. Farben kodieren normalisierte direkten Phasen-Amplituden-Querfrequenzkopplung (ndPAC). Unechte Kopplung auf 0 gesetzt ist (p = 0,01). Bedingungen: links: neutral, rechts: vertraut-Adressierung. Top: PAC von rechts lokalen LFP Kanal LFPR23-LFPR23 zeigt PAC in gewohnter Adressierung Zustand mit max. bei 5-75 Hz (roter Kreis). Unten: PAC von rechts LFP-EEG Kombination mit LFPR23-EEGPzCz. (Mit Genehmigung von 26) Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
4D:. LFP Zeit-Frequenz - Analyse (aus Beispiel 2) Zeit - Frequenz - Plots der lokalen Leistungsänderungen bei LFP23. TOP: Leistungsdifferenz von der Basislinie in der bekannten Adressierungs Zustand über den Zeitraum der Studie (0-4 sec). Links: breites Frequenzband 5-80 Hz, rechts: Gamma-Band; obere Reihe: linke Hemisphäre (LFPL23), untere Reihe: rechte Hemisphäre (LFPR23). UNTEN: Statistische Kontrast zwischen den Bedingungen darstellt signifikanten Theta Erhöhung der vertrauten-Adressierung Zustand bei 4-6,5 Hz und die Zeitdauer von 2,6 bis 2,8 sec (roter Kreis), p = 0,048 auf LFPL23 und erhöht (Trend) auf LFPR23. Farbe Karte codiert t-Werte; oben: linke Hemisphäre (LFPL23), unten: rechte Hemisphäre (LFPR23). (Mit Genehmigung von 26) Bitte klicken hehe eine größere Version dieser Figur zu sehen.
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Discussion
Im Gegensatz zu nicht-invasive Gehirn-Aufnahmetechniken wie Kopfhaut-EEG und MEG, die vorgeschlagene Kombination invasive und nicht-invasive neurophysiologischen Aufzeichnung Framework bietet eine bemerkenswerte Gelegenheit, Informationen aus kortikalen und subkortikalen Bereichen in Bezug auf kognitiv-emotionale Aufgaben zu extrahieren. Diese Informationen werden vom Gehirn Oszillationen bei mehreren Frequenzbändern und verschiedenen Ebenen der Organisation in Bezug auf Gehirnfunktion 44 reflektiert. Gehirn-Schwingungsmuster, die in unserem Aufzeichnungs Rahmen relevant sind, umfassen: subcortical Oszillationen (LFP), Veränderungen der kortikalen-subcortical Kohärenz, die Änderungen in linearer Zusammenhang zwischen den Aktivitäten in kortikalen und subkortikalen Regionen auf bestimmte Frequenzbänder, subcortical Phasen-Amplituden-Kopplung (PAC) und Phase-Phase-Kopplung (PPC). Insbesondere wird betont die Bedeutung von PAC und PPC als die Beziehung und die Interaktion zwischen Schwingungen in verschiedenen Frequenzbändernwurde in das Verständnis der Funktion des Gehirns als nützlich erwiesen. Im Falle von PAC ist die Phase eines Niederfrequenzschwingung im Zusammenhang mit der Leistung eines Hochfrequenzschwingung resultierende somit in Synchronisation der Amplitudenhüllkurve der schnelleren Rhythmus mit der Phase des langsameren Rhythmus. PPC stellt eine amplitudenunabhängige Phase zwischen n Zyklen der Hochfrequenz - Oszillation und m Zyklen einer niedrigen Frequenz eine 45 verriegelt wird . Die sich auf die DBS-DOC Fallbeispiel (Beispiel 2), die Analyse der kortikalen / subkortikalen aufgezeichneten Daten für die bekannte Adressierungssprachzustand ergab Modulation der Schwingungsaktivität in der Beta und Theta-Band innerhalb des zentralen Thalamus zusammen mit erhöhter thalamokortikalen Kohärenz im theta Band. Darüber hinaus ist eine Theta-Phase - war Gamma Amplitude Kopplung offensichtlich innerhalb des Thalamus vor Ort. Diese Ergebnisse unterstützen nicht nur die Einbeziehung des Thalamus in emotionalen und kognitiven Verarbeitung, sondern auch betonen Funktionen that sind bei chronischen DOC Patienten intakt und 26 bei der Beurteilung der Bewusstseinszustände bei solchen Patienten nützlich sein könnte.
wie sie beispielhaft Methodisch von unseren beiden Beispielen sind die wichtigsten Schritte für die Erfassung und Analyse der kortikalen-subkortikalen Hirnaktivität in Bezug auf emotional-kognitiven Verarbeitung:
1) Entwurf eines experimentellen Paradigma, indem unter Berücksichtigung der Bedürfnisse der Patienten und Einschränkungen in einer postoperativen Einstellung, um sicherzustellen, dass er / sie in der Lage sein wird, die Aufgabe in der Studie angegeben auszuführen, ohne seine / ihre Integrität zu beeinträchtigen, während die Maximierung Chance auf Erfolg bei der Fertigstellung des Experiments.
2) Gewinnung unterzeichnet informierte Einwilligung von Patienten, Patienten Familienmitglieder oder Ethikkommission zur Durchführung von post-operativen Aufnahme. In der DBS-DOC Fallbeispiel (Beispiel 2) Genehmigung wurde ausschließlich von der Ethikkommission erhalten aufgrund der Patientens unbewussten Zustand (Koma). Im Fall von Patienten mit Einwilligung motorischen Störungen wurde direkt von dem Patienten erhalten.
3) Definition eines geeigneten Versuchsaufbau für die gleichzeitige Aufnahme von subcortical LPF und kortikalen M (EEG) Aktivität. Im Falle des EEG, wir betonen: Die richtige Wahl und den Aufbau eines EEG-Kanal-Montage und Platzierung der Elektroden auf der Kopfhaut des Patienten. Insbesondere könnte die Elektrodenplatzierung schwierig sein, aufgrund der Anwesenheit von Bandagen auf den Kopf des Patienten nach DBS Operation, so Beratung eines EEG-Profi oder Neurologe ist sehr für eine geeignete Platzierung empfohlen; Es wird empfohlen, keine Impedanzsteuerprüfung, um jede Strom direkt in das Gehirn des Patienten ( "off-label" Verwendung von EEG-Verstärker) gesendet werden, um zu verhindern durchzuführen. Beachten Sie, dass Sie den Modus des Impedanzprüfung in vielen EEG-Systeme einen kleinen Strom verwendet, die alle angeschlossenen Elektroden durchläuft, so dass die resultierende Spannung und impedances werden durch das Ohmsche Gesetz geschätzt; Die Auswahl einer geeigneten Aufnahmeabtastrate und Frequenzband wird vor allem durch Faktoren wie die EEG-Geräte-Funktionen, die Fragestellung untersucht und der Nyquist-Sampling-Regel bestimmt, die besagt, dass die Abtastrate Alias-Frequenzen in einer Bandbreite begrenzte Signal zu beseitigen erforderlich ( bei einem Wert gleich der Nyquist-Rate Hälfte) ist das zwei~~POS=TRUNC der höchsten Frequenzkomponente in dem Signal.
4) Die Auswahl der geeigneten Software - Tools: Alle Berechnungen in der quantitativen Analyse der DBS-DOC - Daten (Beispiel 2) wurden durch kommerzielle Analyse - Software, Open - Source - Suiten 46 und Selbst benutzerdefinierte Skripte (siehe zusätzliche Dateien) durchgeführt. Ein Vorteil von Open-Source-Software-Tools ist die Möglichkeit, die eigene Analyse-Pipelines durch Modifikation und Kombination vorhandener Skripte (im Rahmen der gemeinsamen Lizenz Namensnennung) anzupassen. Um jedoch so tieferes Verständnis der ma zu tunthematische Grundlage der Signalverarbeitung und Programmierung erforderlich. Auch verarbeiteten Daten durch eine solche maßgeschneiderte Pipeline müssen mit dem Format zu entsprechen, die die spezifischen Suite erforderlich. Im Falle von kommerziellen Software-Tools, Datenverarbeitung durch grafische Oberflächen erleichtert wird, dass jeder Verarbeitungsschritt so intuitiv wie möglich zu gestalten, sind in ihrer Fähigkeit, aber die Benutzer beschränkt die Algorithmen, die in der Software zu modifizieren. Wie durch die vorliegende Protokoll beispielhaft, ist eine Kombination von kommerziellen und Open-Source-Software-Tools fruchtbar wie die Daten lange kann (importiert) in einem kompatiblen Weg von einem zum anderen System exportiert werden.
5) Einschränkungen und Modifikationen: Die vorgeschlagene invasive / nicht-invasive Erfassung Rahmen hat seine Grenzen sowohl in seiner Verwendung und die zur Verfügung gestellten Aufnahmen. Als klinische Technik wird es nur für die Patienten gerichtet, die DBS Behandlung für einen bestimmten medizinischen Zustand und Gehirnziel, damit die Gehirnbereiche als für die Zucht zu unterzieheny wird von der operativen Planung eingeschränkt werden. Die räumliche Auflösung der Aufnahmen durch diese Technik zur Verfügung gestellt auf der Ebene der LFP Potentiale ist, so medizinische Studien translationale der Hirnaktivität erfordern Analyse auf mehreren Maßstäben Ebene wird durch Tierversuche ergänzt werden Aufnahmen auf der Ebene einzelner Zellen beteiligt sind. Im Hinblick auf die DBS-DOC Fall-Beispiel (Beispiel 2), betrifft eine Einschränkung auch für die Verallgemeinerung der erhaltenen Ergebnisse, wie es mit einer Einzelfallstudie befasst.
Mögliche Modifikationen und Fehlerbehebung der Flanker Aufgabe (Beispiel 1) umfassen des Antwortreizintervall Erweiterung (> 2,000 msec) über die Unfähigkeit des Patienten innerhalb einer festgelegten Zeitintervalls zu reagieren. Dies ist besonders wichtig bei der Huntington-Krankheit Patienten, die durch ruckartiges unwillkürliche Bewegungen gekennzeichnet sind, zusammen mit kognitiven und emotionalen Niedergang. Auch ist die Aufgabe (ursprünglich aus vier Blöcken von 120 Stimuli each) kann wegen Unfähigkeit eines Patienten verkürzt werden wegen der Müdigkeit fortzusetzen. In dieser Hinsicht würde die körperliche Verfassung und das Alter bestimmenden Faktoren die Auswahl für Patienten sein.
Es wird der Schluss gezogen, dass die vorgeschlagene invasive / nicht-invasive Gehirn Aufnahme Ansatz nicht nur für das Extrahieren Gehirn Schwingungsmuster auf der cortico-subkortikalen Ebene in Bezug auf kognitive und Emotion Paradigmen ein mächtiges Werkzeug darstellt, sondern betont auch die Bedeutung von Zeit-Frequenz-Phase Analysen für auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Auflösungen Gehirn Synchronisationsmuster zu extrahieren. Die künftige Anwendung dieser Technik beinhaltet die Untersuchung von kortiko-subkortikalen neuronalen Korrelate kognitiver und sensorische Verarbeitung von Patienten nicht nur Targeting von motorischen Störungen leiden, sondern auch psychiatrische Erkrankungen wie DOC, OCD, Depression und Demenz.
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Disclosures
Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen haben.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde von ERA-NET NEURON / BMBF Deutschland (Tymon) unterstützt. Publikationskosten werden durch einen Zuschuss von der Universitätsklinik Düsseldorf abgedeckt. Die Flanker Aufgabe hier verwendet wurde , von der ursprünglich geplanten Version von Prof. C. Beste und seine Gruppe 47 geändert.
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 |
References
- Foerster, O., Altenburger, H. Elektrobiologische Vorgänge an der menschlichen Hirnrinde. Dtsch. Zschr. Nervenheilk. 135, 277-288 (1934).
- Spiegel, E. A., Wycis, H. T., Marks, M., Lee, A. J. Stereotaxic apparatus for operations on the human brain. Science. 106, 349-350 (1947).
- Okun, M. S. Deep-Brain Stimulation for Parkinson's disease. N. Engl. J. Med. 367, 1529-1538 (2012).
- Groiss, S. J., Wojtecki, L., Südmeyer, M., Schnitzler, A.
- 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).
- 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).
- Volkmann, J., Benecke, R. Deep brain stimulation for dystonia: patient selection and evaluation [Review]. Mov. Disord. 17 (3), 112-115 (2002).
- Hu, W., Stead, M.
- 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).
- Huys, D., et al. Management and outcome of pallidal deep brain stimulation in severe Huntington's disease. Fortschr. Neurol. Psychiatry. 81, 202-205 (2013).
- Hartmann, C. J., Groiss, S. J., Vesper, J., Schnitzler, A., Wojtecki, L.
- 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).
- 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).
- Luigjes, J., et al. Deep brain stimulation in addiction: a review of potential brain targets. Mol. Psychiatry. 17, 572-583 (2012).
- 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).
- Laxton, A. W., Stone, S., Lozano, A. M. The Neurosurgical Treatment of Alzheimer's Disease: A Review. Stereotact. Funct. Neurosurg. 92, 269-281 (2014).
- Schrock, L. E., et al. Tourette syndrome deep brain stimulation: A review and updated recommendations. Mov. Disord. 30 (4), 448-471 (2015).
- Schiff, N. D., et al. Behavioral improvements with thalamic stimulation after severe traumatic brain injury. Nature. 448, 600-603 (2007).
- Yamamoto, T., Katayama, Y. Deep brain stimulation therapy for the vegetative state. Neuropsychol. Rehabil. 15, 406-413 (2005).
- 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).
- Lipsman, N., Giacobbe, P., Lozano, A. M. Deep brain stimulation in obsessive-compulsive disorder: neurocircuitry and clinical. Handb. Clin. Neurol. 116, 245-250 (2013).
- 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).
- 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).
- Clair, A. H., et al. Excessive checking for non-anxiogenic stimuli in obsessive-compulsive disorder. Eur. Psychiatry. 28 (8), 507-513 (2013).
- 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).
- Wojtecki, L., et al. Modulation of central thalamic oscillations during emotional-cognitive processing in chronic disorder of consciousness. Cortex. 60, 94-102 (2014).
- Menon, D. K., et al. Cortical processing in persistent vegetative state, Wolfson Brain Imaging Centre Team. Lancet. 352 (200), (1998).
- Monti, M. M., et al. Willful modulation of brain activity in disorders of consciousness. New. Engl. J. Med. 362, 579e589 (2010).
- Owen, A. M., Coleman, M. R., Boly, M., Davis, M. H., Laureys, S., Pickard, J. D.
- 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).
- 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).
- Okada, Y., Lähteenmäki, A., Xu, C. Experimental analysis of distortion of magnetoencephalography signals by the skull. Clin. Neurophysiol. 110, 230-238 (1999).
- 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).
- Gross, J. Analytical methods and experimental approaches for electrophysiological studies of brain oscillations. J. Neurosci. Methods. 228, 57-66 (2014).
- 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).
- Mai, K. M., Assheuer, J. K., Paxinos, G. Atlas of the human brain (2nd edition). , Elsevier: Academic Press. (2004).
- 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).
- 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).
- Maris, E., Oostenveld, R. Non-parametric statistical testing of EEG- and MEG-data. J. Neurosci. Methods. 164, 177-190 (2007).
- 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).
- Maris, E., Schoffelen, J. M., Fries, P. Nonparametric statistical testing of coherence differences. J. Neurosci. Methods. 163, 161-175 (2007).
- 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).
- Ozkurt, T. E., Schnitzler, A. A critical note on the definition of phase-amplitude cross-frequency coupling. J. Neurosci. Methods. 201, 438-443 (2011).
- Schutter, D. J., Knyazev, G. G. Cross-frequency coupling of brain oscillations in studying motivation and emotion. Motiv. Emot. 36 (1), 46-54 (2012).
- Palva, J. M., Palva, S., Kaila, K. Phase synchrony among neuronal oscillations in the human cortex. J. Neurosci. 25 (15), 3962-3972 (2005).
- 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).
- 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).
