Waiting
Login processing...

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

Behavior

Kombinert Invasive subkortikale og ikke-invasiv Surface Nevrofysiologiske Opptak for vurdering av kognitive og emosjonelle funksjoner hos 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

Til tross for suksessen i bruk ikke-invasiv elektroencefalografi (EEG), magneto-encephalography (MEG) og funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI) for å trekke ut viktig informasjon om mekanismen for den menneskelige hjerne, slike metoder være tilstrekkelig til å gi informasjon om fysiologiske prosesser som gjenspeiler kognitive og emosjonelle funksjoner på subcortikal nivå. I dette henseende, moderne invasive kliniske metoder hos mennesker, for eksempel dyp hjernestimulering (DBS), har en enorm mulighet til å ta opp subkortikale hjerneaktivitet, nemlig lokale feltpotensialer (LFPs) som representerer sammenhengende aktivitet av neural-samlinger fra lokaliserte basalganglier eller talamiske regioner . Til tross for det faktum at invasive metoder hos mennesker anvendes bare etter medisinsk indikasjon, og således registrerte data samsvarer med endrete hjernen kretser, kan verdifull innsikt oppnås med hensyn til nærvær av intakte hjernefunksjoner i forhold til hjernen oscillerendeaktivitet og patofysiologien av lidelser som reaksjon på eksperimentelle kognitive paradigmer. I denne retningen, et økende antall DBS studier hos pasienter med Parkinsons sykdom (PD) målrette ikke bare motoriske funksjoner, men også høyere nivå prosesser som følelser, beslutningstaking, oppmerksomhet, hukommelse og sanseoppfatning. Nyere kliniske studier understreker også rollen som DBS som et alternativ behandling i nevropsykiatriske lidelser som strekker seg fra tvangslidelser (OCD) til kroniske lidelser av bevissthet (DOC). Derfor fokuserer vi på bruken av kombinerte invasive (LFP) og ikke-invasive (EEG) menneskelige hjerne innspillinger i å vurdere rollen kortikale-subkortikale strukturer i kognitive og emosjonelle behandling trough eksperimentelle paradigmer (f.eks. Tale stimuli med emosjonelle konnotasjoner eller paradigmer av kognitiv kontroll som Flanker oppgave), for pasienter som gjennomgår DBS behandling.

Introduction

Invasive nevrofysiologiske opptak hos mennesker tilbake til nyskapende studier rettet mot electrocorticographic opptak fra kortikale områder og lillehjernen under epilepsi kirurgi og tumor forskning 1. En kritisk milepæl inn i videreutvikling av et slikt opptak fremgangsmåte har vært innføringen av den stereotaktisk teknikk som gir sikker og effektiv tilgang til dype strukturer av den menneskelige hjerne 2. Bortsett fra klinisk behandling, hjerne invasive tilnærminger hos mennesker gir en ganske unik mulighet til å studere hjernens funksjon i forhold til registrerte aktivitetsmønstre modulert av ytre stimuli, særlig når det gjelder intra- og postoperative invasive opptak i pasienter som gjennomgår dyp hjernestimulering (DBS ) prosedyrer. Anvendelig og nytten av DBS har blitt behandlet i ulike nevrologiske og nevropsykiatriske sykdommer av Parkinsons sykdom (PD) til tvangslidelser (OCD) eller forhold som CHROnic forstyrrelser av bevissthet (DOC).

Spesielt har DBS er anvendt ved behandling av Parkinsons sykdom 3,4,5, essensiell tremor 6, primær / gener segmental dystoni 7,8,9, Huntingtons sykdom 10,11, behandlingsresistent-depresjon 12,13, nikotin og alkoholavhengighet 14, Alzheimers sykdom 15,16, Tourettes syndrom 17 og kronisk forstyrrelse av bevissthet (DOC) 18,19,20.

Innenfor rammen av nevropsykiatri, er DBS godkjent / CE-merket behandling for tvangslidelser (OCD) rettet mot fremre lem av den interne kapselen (ALIC) og er i bruk rettet mot ventral kapsel / ventral striatum / ventral caudatus (VC / VS), nucleus accumbens (NAC) og subthalamic nucleus (STN) 21. Angå DBS i OCD 22 nyere studier legger vekt på STN inn i mekanismen for tvangsmessig sjekking ved å utnytte minne basert-paradigmer 23,24,25.

Verdt å merke seg, modulering av hjernens aktivitet under påvirkning av paradigmer med kognitive og emosjonelle konnotasjoner har blitt vektlagt i DOC 26,27,28,29. Således blir DBS fremhevet, ikke bare som en potensiell behandling for kronisk DOC, men også som et klinisk prosedyre som åpner opp muligheten for å studere modulering av subkortikal aktivitet ved å registrere lokale feltpotensialer (LFP) fra sentral talamiske regioner intra- og post- operativt.

I DBS, er nevrokirurgisk implantasjon av elektroder basert på stereotaktisk teknikk som sikkert står for hjerne anatomiske begrensninger, mens pasientens stimulering er tilpasset gjennom intra-operative impuls-stimuleringstester. Postoperativ LFP opptak er mulig etter første implantasjon av DBS elektroder og før internalisering av impulsgenerator. Spesielt er den nåværende protokollen centered på postoperative opptak.

I kombinasjon med LFPs kan samtidig registrering av kortikale hjerneaktivitet oppnås for eksempel ved ikke-invasiv elektroencefalografi (EEG) eller magnetoencefalografi (MEG) 30,31. Disse to ikke-invasive metoder er støttet på grunn av sin utmerkede tidsoppløsning. Mens MEG er mindre berørt enn EEG av skallen effekter 32, vises EEG fordel fordi det er mindre påvirket av gjenstander forårsaket av metalliske implantater og hodebevegelser og den kan brukes på pasientens seng side 33. Ved samtidig registrering av kortikal-subkortikale hjerneaktiviteten (LFP og EEG / MEG) som svar på anvendt emosjonelle kognitiv paradigmer, ulike relasjoner mellom hjerne svingninger og atferd etableres på grunnlag av tids frekvens koplingsanalyser 34. I sin tur, kan slike mønstre føre til potensielle biomarkører for pasientens individuell kognitiv og følelsesmessige tilstander og optimization av behandlingsparametere vurderer individualiserte innstillinger.

Følgende protokoll mål invasive og ikke-invasive nevrofysiologiske opptak i mennesker for vurdering av kognitive og emosjonelle funksjon, spesielt på kortikale og subkortikale nivå (EEG og LFPs).

Først de nevrofysiologiske opptak trinnene illustrert i videoen, som følger den nåværende protokollen, tilsvarer et opptak med et eksempel pasient med bevegelsesforstyrrelse som utfører såkalte Flanker oppgave (eksempel 1).

For det andre er trinnene i protokollen diskutert ved å fokusere på metodikk for analyse og prøveresultatene er tatt fra en publisert DBS eksempel kronisk DOC 26 (eksempel 2).

Disse to eksemplene markere anvendelsen av den foreslåtte protokollen til DBS-behandlede pasienter med ulike lidelser og ulike eksperimentelle paradigmer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Den DBS prosedyre og invasive Opptakene ble godkjent av etikk-kommisjonen ved University Clinic Düsseldorf, Tyskland.

1. Experimental Paradigm Design og pasientens samtykke

MERK: Design en eksperimentell paradigme eller velg en eksisterende eksperimentelle paradigmet å målrette en kognitiv / følelsesmessige aspektet av interesse.

  1. Velg pasienter som vil gjennomgå DBS-behandling. Spør om DBS-pasient oppfyller inklusjonskriteriene studiens. Hvis ja, få signert informert samtykke fra pasienten og / eller etisk kommisjon (hvis aktuelt) for å utføre en postoperativ opptak og anvendelse av den respektive kognitive paradigme.
    Merk: Postoperativ innspillingen foregår dagen etter en innledende DBS kirurgi er utført for DBS elektrode implantasjon (sammen med sine tilsvarende eksternalisering fra hodet ved hjelp av spesialkabler) og før en ny operasjon foregår regarding permanent implantasjon av DBS elektroder og stimulator.
    1. I Flanker oppgave (eksempel 1), får signerte informert samtykke fra en pasient med bevegelsesforstyrrelse (f.eks. Huntingtons eller Parkinsons sykdom), for å gjennomføre en postoperativ opptak. Målet med Flanker eksperimentet er å teste pasientens evne til tilpasning for feil atferd og for å finne ut hvordan en slik tilpasning er reflektert på hjernen oscillasjon aktivitet på kortikale og subkortikale nivå.
      MERK: valg av en pasient er diktert av den kognitive mekanisme som skal behandles og pasientens lidelse. I DBS-DOC case-eksempel (eksempel 2), ble en kvinnelig DOC pasient som led av en hodeskade i en alder av 38 er valgt. På grunn av pasientens tilstand begrensende informert samtykke, ble DBS behandling og eksperimentell deltakelse godkjent utelukkende av lokale etikk provisjon. Hovedmålet med DOC postoperative innspillingen var å avgjøre omhjernens funksjon i forhold til kognitiv-emosjonell prosessering var fortsatt intakt hos en pasient med en slik alvorlig forstyrrelse av bevissthet.
  2. Velg mellom type stimulus presenteres (auditiv, visuell). Identifisere rekkefølgen av stimulus presentasjon (blokk eller blandet design). Velge varigheten av stimulus, inter stimulus intervall (ISI), og antall forsøk.
    1. Som et praktisk eksempel utføre den oppgaven Flanker (eksempel 1, figur 1 A), for å undersøke evnen til å tilpasse oppførsel som reaksjon på engasjement av responsfeil. Denne oppgaven består av visuelle stimuli (flankert pilspisser vertikalt arrangert).
    2. Flanke målet stimulus (pilspiss i midten) ved to tilstøtende piler (over og under målet) enten peker i samme (PC) eller motsatt (uforenlig) retning, i tillegg vurdere å stoppe forsøk (sirkel i midten).
    3. Presenter målet til venstre eller høyre, og ber deltakeren om å trykke en response knappen med venstre eller høyre tommel. I stopp prøvelser, instruere deltakerne til ikke å svare. Present flankers 200 ms før mål. Vise målet for 300 msek og angi respons stimulus-intervall til 2000 msek (medgått tid indikeres av en kø tone). Presentere et totalt fire blokker med 120 stimuli hver i denne oppgaven. Present kompatibel (60%), inkompatible (20%) og stop-studie (20%) stimuli tilfeldig.
      MERK: Denne verdien for stimulus-intervallet ble valgt for å unngå et stort antall tapte forsøk når de vurderer motor funksjonshemmede pasienter. Flankers og målet ble slått av samtidig. Pasientene ble instruert til å reagere så raskt som mulig.
      MERK: I DBS-DOC case-eksempel (eksempel 2, figur 1B), den eksperimentelle paradigmet besto av nøytral ikke-adressering og kjent-adressering tale stimuli 26 i en blokk design. Den stimulus varighet ble satt opp til 4 sek (med en randomisert 4 5 sek inter-stimulus-intervall). En total på 80 forsøk per tilstand ble vurdert i dette paradigmet (figur 1B).
  3. Envision pasientens fysiske begrensninger og behov i en postoperativ innstilling opptak. Nærmere bestemt, bestemme om pasienten er i stand til å gjøre bruk av tastaturet ved å vurdere nærværet av for store bevegelser chorea (Huntingtons sykdom) eller tremor (Parkinsons sykdom).
    1. Sørg for at pasienten er i stand til å se skjermen (som lokalbedøvelse eller stereohoderammen brukes under DBS kirurgi kan ha forårsaket hevelse i ansiktet og rundt øynene) og sitte komfortabelt under varigheten av hele forsøket. Ikke utfører eksperimentet, hvis pasienten ikke oppfyller disse betingelsene.

2. Sett opp for Postoperativ Subkortikal (LFPs) og overflate (EEG) Recordings

  1. Sett opp EEG utstyr (se Materialer i tilleggsfiler) i rommet wher forsøket skal gjennomføres. Koble opptak datamaskinen til EEG-system. Start EEG innspillingen programvare (se "materialer" i tilleggsfiler).
  2. Klikk "Fil" og deretter "Ny arbeidsområdet" å definere arbeidsområdet i EEG innspillingen programvare ved å angi: en samplingfrekvens på 5 kHz, en lav cut-off (DC) og høy cut-off frekvens (1000 Hz), EEG kanaler henhold til den internasjonale 10/20 system (minst: fronto-sentral (Fz), centro-sentral (CZ), fronto-polar referanse (FPZ) og jord (mastoid) og avhengig av paradigmet videre parieto-sentral (Pz) , bakhode-sentral (Oz), tidsmessig (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 (høyre hjernehalvdelen)). Klikk på "Monitor" for å bekrefte at de angitte kanalene er nå satt opp for opptak.
    MERK: preparation forhånd av arbeidsområdet er anbefalt for å redusere eksperimentet tid og for å føre tilsyn med uventede endringer i opptaks konfigurasjon. Det anbefales å sikre høyest tidsoppløsningen, riktige filterinnstillinger, tilstrekkelig samplingsfrekvens og riktig valg av kanaler av interesse.
  3. Sett opp stimulans datamaskinen ved å koble parallellporten til EEG-systemet. Start stimulus programvare. Klikk "Kjør" for å sjekke paradigmet funksjonalitet på datamaskinens skjerm (visuelle stimuli) og / eller høyttalere (auditive stimuli, lyd Køer). Sørg for at markører (trigger) fra stimulus datamaskinen er lest inn i opptakssystemet under presentasjonen av stimuli og pasientens respons ved å sjekke deres opptreden på EEG innspillingen programvare.
    MERK: Triggers fra stimulanse enheter må ha en varighet på minst 200 usekunder å bli oppdaget av EEG-systemet (med 5 kHz samplingsfrekvens). Siden triggere er markører for event-relaTed-hendelser eller fremkalt relatert aktivitet som oppstår i en bestemt tidsperiode deres funksjon er avgjørende for posteriore dataanalyse. I DBS-DOC case-eksempel (eksempel 2), den eksperimentelle paradigmet (figur 1B) besto av auditive stimuli (kjente en ukjente stemmer) så triggere ble satt opp i begynnelsen og slutten av hver stimuli presentert. I tilfelle av Flanker oppgaven (figur 1A) triggere ble satt opp i det øyeblikket når 1) de flankers og målet stimuli dukket opp, 2) pasienten reagerte og 3) en kø tone ble hørt å informere pasienten om at svartid hadde gått.
  4. Marker toppunktet på pasientens hode som midtpunktet mellom nasion og inion ved hjelp av en markør hud penn og ved å følge råd fra en erfaren nevrolog eller EEG spesialist. I tillegg mark valgt EEG elektroder stillinger ved hjelp av 10-20-systemet. Fest EEG overflateelektroder til hodebunnen ved først å rense hvert valgte stedet med en isopropyl alkohol pad og etter bruk av slipende pasta.
    MERK: Slike handlinger er begrenset av plassering av bandasjer på hodet av DBS pasienten. Imidlertid bør en erfaren nevrolog kunne definere en passende (omtrentlig) plassering for hver elektrode / kanal. For å sikre god kontakt flytte håret ut av veien (hvis aktuelt). Bruken av selvklebende elektroder sikret ved kirurgisk tape kan brukes på grunn av easiness for plassering.
  5. Koble ekstern DBS elektroder til en perkutan forlengelse. Koble perkutan utvidelse til ekstern kontakt. Koble hver elektrode gitt av ekstern kabelkontakten til EEG kontrollboksen i henhold til EEG opptak oppsett. Koble EEG skalp elektroder til EEG kontrollboksen ved først å koble bakken og referanse.
  6. Fest EMG elektroder (referanse og aktive elektroder) ved gitte muskler ved først å rense området med isopropylalkohol pad. Koble EMG elektroder til EEG kontrollboksen.
    MERK: Dette trinnet er valgfritt og hovedsakelig utført når motor oppgaver blir betraktet inn i paradigmet, eller når det er nødvendig for å overvåke aktiviteten av muskler som i tilfellet av pasienter med motor uorden.
  7. Klikk på "Monitor" for å visualisere data. Sørg for at EEG og EMG-signaler som vises på skjermen er gjenstand fritt ved å påvise tilstedeværelse av jittering og lagrede høy frekvens komponenter. Sjekk retningslinjer om typer gjenstander og andre forhold knyttet til opptaks elek signaler 35 og / eller be om faglige råd fra en erfaren nevrolog eller hjerneforsker til du blir kjent med den type forstyrrelser som finnes i slike fysiologiske innspillinger.
    MERK: Dette trinnet er viktig for å sikre høy kvalitet signaler for off-line dataanalyse.

3. Opptak av Post-operative Subkortikal (LFPs) og Surface (EEG) Brain Activity

  1. Gi instruksjoner til pasienten. Sørg for at patient er behagelig og instruere ham / henne til å stoppe eksperimentet når som helst på ubehag.
  2. Klikk på "run" på stimulans programvaren, slik at pasienten er i stand til å se paradigmet på skjermen og / eller lytte til cue toner og lyder. Utfør en treningsøkt med pasienten til han / hun er komfortabel med oppgaven. Begynn samtidig registrering av subcortikal (LFP) og kortikale (EEG) hjerneaktiviteten mens pasienten utfører den eksperimentelle oppgaven.
    NB: I tilfellet med DBS-DOC tilfellet eksempel (eksempel 2) paradigmet besto av auditive stimuli i en blokkdesign som beskrevet i (figur 1B). I tilfelle av Flanker oppgave (figur 1A), visuelle stimuli svarende til tre tilstander (PC (60%), uforenlig (20%) og stoppe-studien (20%)) ble presentert vilkårlig innenfor hver blokk (blandet design), hver blokk besto av 120 stimuli og paradigmet besto av i alt fire blokker. Etter at oppgaven er fullført,data er lagret på harddisken av opptaket datamaskin for senere off-line screening og kvantitativ analyse.

4. Data Analysis

MERK: Steps ved hjelp av EEG analyse programvare:

  1. Åpne EEG analyse programvare (se "materialer" i tilleggsfiler) og klikk "Ny" for å visualisere de registrerte data ved å angi mappebaner (rå, historie og eksport) og dataenes navn. Klikk på "Rediger kanaler" for å velge kanaler av interesse. Gi nytt navn til kanaler om nødvendig.
  2. Klikk "Channel Forbehandling" og deretter "New Reference" for å re-referanse tilstøtende DBS kontakter og dermed skape virtuelle bipolare kontakter for venstre og høyre hjernehalvdel. Gjenta denne prosessen for å skape en virtuell montage for EEG-kanaler.
    MERK: En bipolar re-referansen montasjen er viktig å minimere volumet lednings effekter og for å forbedre romlig påliteligheten av de registrerte signaler. Når det gjelder DBS-DOC case eksempel (eksempel 2), er følgende bipolare kanaler ble satt opp DBS: LFPL01, LFPL12, LFPL23, LFPR01, LFPR12, LFPR23 og EEG: Cz / Fz, Pz / Cz, Oz / Pz, T3 / Cz og T4 / Cz . Det er verdt å understreke at selv om MEG registrert signaler er referanse-fri, EEG-signaler må henvises til å sette sann ikke-vilkårlige verdien null signaler i et felles rammeverk. Eksisterende EEG referansesystemer inkluderer: Cz eller FPZ referanse, gjennomsnittlig mellom elektrodene på de to ører, gjennomsnittlig referansen (vurderer alle kanalene), to- eller enkelt mastoid referanse og støy referanse. For formålet med dataanalyse, kan forskjellige re-referanseordninger anvendes, for eksempel bipolare kontakter er hensiktsmessig når målretting tid-frekvens koblingsanalyse mellom DBS og EEG-signaler.
  3. Klikk "rådata inspeksjon" til skjermdata for fysiologiske og utstyrsrelaterte gjenstander med vekt på motor jittering og utstyr forstyrrelser. Marker segmenter der gjenstander er til stede.
    NERK: Når du tar opp hodebunnen aktivitet og samtidig subcortikal aktivitet gjennom DBS ekstern fører, vises EEG mer robust for støy gjenstander enn teknikker som MEG som dagens innsats blir rettet mot å forbedre signal til støyforhold. På grunn av at pasienter med motoriske forstyrrelser lider av ufrivillige bevegelser som chorea og skjelvinger utseendet motor jittering gjenstander i de registrerte signalene må gjøres rede for. Andre forstyrrelser skyldes øye blinker og utstyr relatert gjenstander. Fokus på DBS-DOC case eksempel (eksempel 2), ble gjenstand inspeksjon utført av visuell undersøkelse og gjenstander ble merket manuelt. Den eneste anvendelse av en automatisk artefakt inspeksjon modus er motet som noen gjenstander ikke kan bli gjenkjent av en bestemt kriterium.
  4. Klikk "Datafiltrering" og deretter "IIR filtre" for å angi et hakk filter: 50Hz (håndtering av kraftlinje artefakter) og Butterworth Zero fase filtre av spesifying lav og høy Cutoff parametere. Klikk på "Endre Sampling Rate" for å downsample de registrerte signaler til en bestemt frekvens og også spesifisere interpole type.
    1. I DBS-DOC eksempel; satt Lav Cutoff: 1,0000 Hz, Tid konstant: 0.1592s, helling: 48 dB / okt; Høy Cutoff: 80,0000 Hz, Tid konstant: 0,1592 sek og 48 dB / okt og samplingsfrekvens til 512 Hz ved hjelp spline interpolasjon.
      MERK: Hvis du vil, utføre filtrering av tilpassede skript basert på kjente åpen kildekode-suiter: Fieltrip (http://www.fieldtriptoolbox.org/), EEGLab (http://sccn.ucsd.edu/eeglab/) og SPM8 ( http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm8/). Når det gjelder det første, er eksempelskript gitt i (http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/preprocessing). Andre suiter tilbyr også detaljert dokumentasjon for å utføre dette trinnet.
      MERK: ned-sampling på noe tidspunkt vil begrense hyppigheten plass som er tilgjengelig for ytterligere analyse i henhold til Nyquist-teoremet. Tatt i betraktning den DBS-DOC sak-eksempel er den valgte samplingsfrekvens på 512 Hz hensiktsmessig med tanke på et frekvensbånd opptil 80 Hz.
      MERK: Du kan også utføre ned-sampling av tilpassede skript basert på kjente åpen kildekode-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 tilfellet med den første, er skript eksempler gitt (http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/preprocessing). Andre suitene har også dokumentasjon for å utføre dette trinnet.
  5. Eksport bipolare kanaler av interesse ved å klikke "Export" og deretter "Generic data". Eksportere data markører (trigger) ved å klikke på "Export" og deretter "markører". Nevn de filene som skal eksporteres ved å velge en "txt" format.
    MERK: For å bruke fieldtrip verktøykasse i de neste trinnene er det foreslått å eksportere kanaler i (.txt) multiplex format og anbefaler ogsåed å inkludere en "vmrk" fil som inneholder informasjon om eksporterte kanaler. Det er også foreslått å bruke en (TXT) format for de eksporterte markører mens muligheten til å hoppe markører tilsvarende dårlige intervaller valgte i trinn 4) er tilbudt.

MERK: Steps ved hjelp fieldtrip:

  1. Oppstart MATLAB og klikk på "set path" for å legge til fieldtrip mappen bane i tilfelle det ikke blir gjort som standard.
  2. Sett dataene tidligere pre-behandlet og markører i en celle-matrise-struktur som er kompatibel med funksjoner innen fieldtrip ved å kjøre ( Script 1-Supplerende File ) uten mangler for å spesifisere: Katalogen som inneholder EEG og LFP-filer fra trinn 7 , kanalnavn, sampling frekvens, sample tid, prøvelser. (Eventuelt) Utfør gjenstand avvisning av "uncomment" den angitte koden. Dette skriptet lagrer data i en bestemt fil som skal brukes i next trinn.
  3. Beregn LFP spektrale makt for kanaler av interesse ved å kjøre ( Script to-Supplerende File ) uten mangler for å spesifisere: katalogen som inneholder filen som genereres av (Manus 1), metoden (wavelet eller mtmconvol), bredden på vinduet, frekvensen av interesse (foi), tid periode av interesse (toi), og frekvens baseline korreksjon (valgfritt). Definer type statistisk analyse og ønskede p-verdi.
    Merk: I DBS-DOC case-eksempel (eksempel 2), ble maktanalyse utført ved å vurdere en stimulus-låst frekvensanalyse wavelet tid (Morlet wavelet (width = 5)) med Hanning taper, et frekvensområde på 4-80 Hz og en tidsperiode på mellom -1-4 sek. På grunn av at wavelets har variabel oppløsning i tid og frekvens. Når du velger en bølge, vi bestemmer oss for en avveining mellom temporal og spektral oppløsning. Spesielt Morlet wavelets ha en sinusform vekted av en gaussisk kjerne som gjør det mulig å fange opp lokale svingningskomponenter i en tidsserie. Å gjøre bredden parameter mindre vil øke tidsoppløsningen på bekostning av frekvens oppløsning og vice versa. Den spektrale båndbredde ved en gitt frekvens F er lik F / bredde x 2 (for F = 40 Hz og bredde = 5 den spektrale båndbredden er 16 Hz), mens bølge varighet er lik bredden / F / pi (for F = 40 Hz og width = 5 bølgen varighet er 39,8 msek). En klynge basert (tid og frekvens variabler) randomisering tilnærmingen ble anvendt for statistisk analyse mellom betingelser (p-nivå på 0,05 i en to-sidig test) 39. Som et eksempel på utgangs oppnådd ved å utføre dette trinnet kan se på figur 4A og figur 4D. responsanalyse Time-frekvens ble utført av tilpassede skript basert på åpen kildekode fieldtrip (http://www.fieldtriptoolbox.org/). Spesifikke detaljer om hvordan du tilpasser et skript for å oppnå dette trinnet kanfinnes i http://www.fieldtriptoolbox.org/reference/ft_freqanalysis.
  4. Beregn sammenheng mellom subkortikale og kortikale signaler ved å kjøre ( Script 3-Supplerende File ) uten å glemme å spesifisere: segmenter lengde, overlapping prosent, frekvensen av interesse. Som for den statistiske analysen angi hvilken type analyse og ønsket p-verdi.
    Merk: Sammenheng analyse måler lineær sammenheng mellom to tidsserier med et konstant forhold av amplituder 40. I DBS-DOC case-eksempel (eksempel 2), ble segmenter av ett sekund med 50% overlapping for beregning av sammenheng ved å fokusere på frekvensintervallet mellom 1 og 25 Hz. En klynge-baserte (tids- og frekvensvariable) randomisering tilnærmingen ble anvendt for innen faget-analyse av koherens (p-nivå på 0,05 i en to-sidig test) 41. Videre ble den imaginære delen av koherens beregnet 42.
    de Basic skritt for å tilpasse et skript for sammenheng analyse er beskrevet i (http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/coherence). Som et eksempel på utgangs oppnådd ved å utføre dette trinnet kan se på figur 4B.
  5. Beregn kryss frekvens fase amplitude kobling (PAC) ved å kjøre programvaren gjennomføringen tilgjengelig som tilleggs fil i referanse 43.
    Merk: I DBS-DOC case eksempel (eksempel 2), ble kryss-frekvensanalyse PAC beregnes ved hjelp av hele fri-artefakt opptak for ulike kombinasjoner av bipolare kanaler. Spesielt normalisert direkte PAC (ndPAC) 43 ble foretrukket fordi det mellom bestemmelse av sterk kopling ved forskjellige statistiske nivåer samtidig stilles opp for å nullstille ikke-signifikante koblingene (p-nivå: 0,1). Som et resultat, varierer frekvensen for fase og amplitude kopling kan bli valgt på basis av deres betydning. I DBS-DOC tilfelle f.eks fasefrekvensområde betraktes was 3-22 Hz mens amplituden frekvensområdet ble satt opp til 35-80 Hz. De LFP-EEG-kanaler som er valgt for analyse PAC var LFPR23 og EEGFzPz på grunnlag av sammenhengen analyser utført i trinn 5.5. Som et eksempel på utgangs oppnådd ved å utføre dette trinnet kan se på figur 4C.

Figur 1
Figur 1: Eksempel på eksperimentelle paradigmer (A) (Eksempel 1) Flanker oppgave. Target stimulus (pilspiss i midten) er flankert av to tilstøtende piler (over og under målet) enten peker i samme (PC) eller motsatt (uforenlig) retning, stopp studier (sirkel i midten) ble også vurdert. Når målet peker mot venstre eller høyre, har en deltaker å trykke et svar knappen med venstre eller høyre tommel henholdsvis i stopp forsøk deltakerne blir bedt om ikke å svare. den Flanker oppgaven brukt her ble endret fra opprinnelig programmert versjonen av professor C. Beste og hans gruppe (se kvitteringer). (B) (Eksempel 2) emosjonelle kognitiv tale paradigmet brukes i DBS-DOC case-eksempel. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

For DBS-DOC saken (eksempel 2), har vi nå gi data om målet lokalisering for DBS implantering, skjematiske diagrammer av LFP elektrode og EEG satt opp, eksemplariske opptak av EEG og LFP aktivitet (rådata) og representative analyseresultater:

Figur 2A viser planlagt bane (svart linje) projisert på en anatomisk atlas 36, § 30, koronar, 10,7 mm bak fremre commissure (AC) (rød linje: AC-PC plan). Røde sirkler markerer målrettede områder av den nederste 15 mm (atlas grid størrelse: 10 mm) med IML = intern medullær lamina thalami og Rt = retikulære thalamic kjerne. VA = ventroanterior thalamic kjerne, AV = anteroventral thalamic kjerne, AM = anteromedial thalamic kjerne, Fa = fasciculosus kjernen, Itha = interthalamic vedheft.

Figur 2B viser den endelige elmassen har elektrode i den sentrale thalamus visualisert på en 3D-atlas 37. To ortogonale plan § langs aksen av elektroden i den høyre hjernehalvdelen etter registrering av 3D atlas med CT scan ved hjelp av atlas 38. De fire kontakter av elektrode (blå sirkler) ble plassert i den høyre thalamus (R-Thal). GPI = innvendig globus pallidus, STN = subthalamic kjernen, ZI = zona incerta, RPT = retikulære perithalamic kjernen, RN = rød kjerne.

Figur 2C viser en skjematisk tegning av DBS elektroden. Elektrodekontakter ble gjen referert offline, noe som resulterer i tre bipolare LFP kanaler for hver halvkule (LFPL01, LFPL12, LFPL23, LFPR01, LFPR12, og LFPR23). EEG elektroder montasje (10-20 system) med elektroder som brukes under opptak i DOC case-eksempel (Fz, Cz, Pz, Oz, T4, T3 og FPZ) (figur 2D)

Figur 2: Target Lokalisering, LFP elektrode og EEG Set-up (fra eksempel 2) (A) Planlagt bane (svart linje) projisert på en anatomisk atlas 36, § 30, koronar, 10,7 mm bak AC (rød linje. AC- PC-planet). Røde sirkler markerer målrettede områder av den nederste 15 mm (atlas grid størrelse: 10 mm) med IML = intern medullær lamina thalami og Rt = retikulære thalamic kjerne. VA = ventroanterior thalamic kjerne, AV = anteroventral thalamic kjerne, AM = anteromedial thalamic kjerne, Fa = fasciculosus kjernen, Itha = interthalamic vedheft. (B) Slutt elektrode i den sentrale thalamus visualisert på en 3D-atlas 37. To ortogonale plan § langs aksen av elektroden i den høyre hjernehalvdelen etter registrering av 3D atlas med CT scan ved hjelp av et atlas 38. De fire kontakter av elektroden (blå sirkler) var located i riktig thalamus (R-Thal). GPI = innvendig globus pallidus, STN = subthalamic kjernen, ZI = zona incerta, RPT = retikulære perithalamic kjernen, RN = rød kjerne. (C) Skjematisk tegning av DBS elektroden. Elektrodekontakter ble gjen referert offline, noe som resulterer i tre bipolare LFP kanaler for hver halvkule. (D) EEG elektroder montasje (10-20 system) med elektroder som brukes i DOC case-eksempel markert i grått. (Tall A og B ble modifisert med tillatelse fra 26, Figur C ble modifisert med tillatelse fra Medtronic). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3A viser eksemplarisk EEG opptak tilsvarende bipolar kanaler: T4Cz, T3Cz, PzCz, OzPz og FzPz i tilfelle av nøytral ikke-adressering tilstand (til venstre) og den kjente adressering Kondisjonepå (til høyre).

Figur 3B viser eksemplarisk LFP opptak tilsvarende bipolar kanaler: LFPL23 og LFPR23 i tilfelle av ikke-adressering tilstand (til venstre) og den kjente adressering tilstand (til høyre).

Figur 3
Figur 3:. Eksemplarisk Recordings (fra Eksempel 2) (A) Figuren viser EEG recordings.The Figuren illustrerer EEG traser tilsvarende bipolar kanaler (se 4.2 for detaljer om kanalen re referanser). (B) Figuren viser LFP recordings.The Figuren illustrerer LFP spor tilsvarende bipolar kanaler i tilfelle av venstre og høyre hjernehalvdel (se 4.2 for detaljer om kanalen re-henvisning). Klikk her for å se en større versjon avdette tallet.

Analyse av stimulus-låst modulering av oscillasjon aktivitet innenfor sentrale thalamus avdekket en høyresidig signifikant (p = 0,044) økning av beta effekt (12-25 Hz) i første sekund (0,45 til 0,55 sek) når kontrast nøytral adressering vs. kjent -addressing forhold (Figur 4A).

Sammenheng analyse mellom kanaler PzCz (EEG) og LFPR23 (høyre hjernehalvdelen) viste en signifikant forskjell mellom forholdene i theta band. Også den imaginære delen av koherens viste avvik fra null indikerer en faseforsinkelse mellom LFP og EEG (figur 4B). Lokal analyse viste signifikant (p = 0,01) theta-gamma PAC (med maks. Ved 5-til-75 Hz) for retten lokale LFP-kanal (LFPR23-LFPR23) i det velkjente-adressering tilstand (figur 4C).

(figur 4D, Top). Det er også merkbart at Gamma omkring 40 Hz (grønn sirkel / ellipse) etterfølges av en bredere og høyere gamma opp til 80 Hz (figur 4D, Top). En betydelig theta økning i den kjente-adressering tilstand ved 4-6,5 Hz og tidsperiode 2,6-2,8 sek (rød sirkel), (p = 0,048) på LFPL23, så vel som en økt tendens på LFPR23 ble avslørt (figur 4D, bunn) .

Figur 4 A og B
Figur 4: Tids frekvens strøm Analyse og EEG-LFP Koherens (fra eksempel 2) (A) Lokale oscillerende strøm i kontrast nøytral i forhold til kjent-adressering tilstand for den første sekund;. Fargekode representerer t-verdier. Top: l eft kanal LFPL23; Bunn: høyre kanal LFPR23. Betydelig beta økning (p = 0,044) ved 12-25 Hz, 0,45 til 0,55 sek (rød sirkel). (Modifisert med tillatelse fra 26). (B) Familiar-adressering tilstand (rød linje) og nøytral ikke-adressering tilstand (blå linje). Sammenheng ble beregnet på uavhengige 1 sek segmenter fra epoker med varighet 0-4 sek og i gjennomsnitt i alle segmenter. Top (venstre): Sammenheng med kanal LFPL23 venstre hjernehalvdelen, Top (høyre): Sammenheng med kanal LFPR23 høyre hjernehalvdelen. Signifikant forskjell mellom forholdene (p = 0,044) er angitt med rød sirkel / stjerner for sammenheng med kanal PzCz, 5-6 Hz. Bunn: Imaginary del av sammenheng mellom LFPR23 høyre hjernehalvdelen og kanal Cz (grønn sirkel) viser avvik fra null betyr en fase forsinkelse mellom LFP og EEG (og dermed effekten ikke skyldes volum ledning). (Modifisert med tillatelse fra 26)"_blank"> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4C
Figur 4C: Fase Amplitude Coupling (PAC) (fra eksempel 2) PAC for fase frekvenser 3-22 Hz og amplitude frekvenser 35-80 Hz.. Farger kode normalisert direkte fase-amplitude cross-frekvens koplings (ndPAC). Falsk kopling er innstilt på 0 (p = 0,01). Betingelser: venstre: nøytral, høyre: kjent-adressering. Øverst: PAC fra høyre lokal LFP kanal LFPR23-LFPR23 viser PAC i kjent adressering tilstand med maks. på 5-75 Hz (rød sirkel). Bunn: PAC fra høyre LFP-EEG kombinasjon med LFPR23-EEGPzCz. (Modifisert med tillatelse fra 26) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4D
Figur 4D. LFP Time-frekvens analyse (fra eksempel 2) Tid frekvens plott av lokale kraft endringer på LFP23. TOPP: Strøm forskjell fra baseline i det velkjente-adressering tilstand over perioden av rettssaken (0-4 sek). Venstre: bred frekvensbånd 5-80 Hz, høyre: gamma-band; øverste rad: venstre hemisfære (LFPL23), nederste rad: høyre hjernehalvdelen (LFPR23). NEDERST: Statistisk kontrasten mellom forholdene som illustrerer betydelig theta økning i det velkjente-adressering tilstand på 4-6,5 Hz og tidsperiode 2,6-2,8 sek (rød sirkel), p = 0,048 på LFPL23 og økning (trend) på LFPR23. Farger koder t-verdier; top: venstre hemisfære (LFPL23), bunn: høyre hjernehalvdelen (LFPR23). (Modifisert med tillatelse fra 26.) Klikk here for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I motsetning til ikke-invasiv hjerneopptaksteknikker som skalp-EEG og MEG, gir den foreslåtte kombinert invasive og ikke-invasive nevrofysiologiske opptak rammeverk en bemerkelsesverdig mulighet til å trekke ut informasjon fra kortikale og subkortikale områder i forhold til kognitive-emosjonelle oppgaver. Slik informasjon er reflektert av hjernen oscillasjon aktivitet på flere frekvensbånd og ulike nivåer av organisasjonen i forhold til hjernen fungerer 44. Brain oscillasjon mønstre som er relevante i vår opptak rammeverket inkluderer: subcortikal oscillasjon aktivitet (LFPs), endringer i kortikal-subcortikal sammenheng indikerer endringer i lineær sammenheng mellom aktiviteter på kortikale og subkortikale regioner på bestemte frekvensbånd, subcortikal fase-amplitude koblings (PAC) og fase-fase kopling (PPC). Spesielt er relevansen av PAC og PPC fremhevet som forholdet og samspillet mellom svingninger i forskjellige frekvensbåndhar vist seg å være nyttig for å forstå hjernefunksjon. I tilfelle av PAC, er fasen til en lavfrekvent svingning relatert til kraften i et høyfrekvent oscillasjon og dermed resulterer i synkroniseringen av amplituden av konvolutten raskere rytmer med fasen for langsommere rytmer. PPC representerer en amplitude uavhengig faselåse mellom n cykler av høyfrekvent oscillasjon og m sykluser av en lav frekvens av en 45. Fokus på DBS-DOC case eksempel (eksempel 2), analyse av kortikale / subcortikal registrerte data for det velkjente-adressering tale tilstand avslørte modulering av oscillasjon aktivitet i beta og theta-band innenfor den sentrale thalamus sammen med økt thalamocortical sammenheng i theta bånd. I tillegg er en theta-fase - var gamma amplitude kopling tydelig innenfor thalamus lokalt. Disse funnene ikke bare støtte involvering av thalamus i emosjonell og kognitiv behandling, men også legge vekt på funksjoner that er intakte i kroniske DOC pasienter og som kan være nyttig i vurderingen av bevisste tilstander hos slike pasienter 26.

Metodisk, som eksemplifisert ved våre to eksempler, de mest relevante fremgangsmåten for registrering og analyse av kortikal-subkortikale hjerneaktivitet i forhold til emosjonell-kognitive behandling inkluderer:

1) Design av en eksperimentell paradigme, ved å ta hensyn til pasientens behov og begrensninger i et post-operative innstilling, slik at han / hun vil være i stand til å utføre den oppgaven som er angitt i studien uten at det går hans / hennes integritet samtidig maksimere sjanse for suksess i gjennomføringen av forsøket.

2) Innhenting signert informert samtykke fra pasienten, pasientens familiemedlemmer eller etisk kommisjon for å utføre postoperativ opptak. I DBS-DOC case eksempel (Eksempel 2) godkjennelse ble utelukkende hentet fra den etiske kommisjonen grunn til pasientenss bevisstløs tilstand (koma). Når det gjelder pasienter med motoriske forstyrrelser samtykke ble oppnådd direkte fra pasienten.

3) Definisjon av en passende eksperimentelle oppsettet for samtidig registrering av subkortikale LPFs og kortikal M (EEG) aktivitet. I tilfellet med EEG, vi understreke: Riktig valg og oppsett av en EEG-kanal montasje og elektrodeplasseringen på pasientens hodebunnen. Spesielt kan elektrodeplasseringen være utfordrende på grunn av tilstedeværelsen av bandasjer på pasientens hode etter DBS kirurgi, så råd av en EEG profesjonell eller nevrolog anbefales for riktig plassering; Det anbefales ikke å utføre enhver impedans kontroll kontroller for å hindre at strømmen som skal sendes direkte inn i hjernen til pasienten ( "off-label" bruk av EEG-forsterker). Merk at impedansen sjekkmodus i mange EEG-systemer benytter en liten strøm som går gjennom alle tilkoblede elektroder så den resulterende spenning og impedanCES er estimert av Ohms lov; Valg av en passende opptak samplingsfrekvens og frekvensbåndet er i hovedsak bestemt av faktorer som EEG utstyr evner, den problemstillingen som studeres og Nyquist sampling regelen, som sier at samplingsfrekvensen er nødvendig for å eliminere alias frekvenser i en båndbredde begrenset signal ( til en verdi lik halvparten av Nyquist-hastigheten) er to ganger den høyeste frekvenskomponent til stede i signalet.

4) Valg av hensiktsmessige verktøy: Alle beregningene i kvantitativ analyse av DBS-DOC data (Eksempel 2) ble utført ved kommersiell analyse programvare, åpen kildekode-suiter 46 og selv tilpasset skript (se utfyllende filer). En fordel med åpen kildekode verktøy er muligheten til å tilpasse ens egne analyse rørledninger ved å endre og kombinere eksisterende skript (under felles lisens attribusjon). Men for å gjøre det bedre forståelse av matematisk basis av signalbehandling og programmering er nødvendig. Også data som behandles av en slik tilpasset rørledning må overholde formatet som kreves av den spesifikke suite. I tilfelle av kommersielle programvareverktøy, er databehandling lettes ved grafiske grensesnitt som gjør at hvert behandlingstrinn så intuitiv som mulig, er imidlertid brukere begrenset i deres evne til å modifisere de algoritmer som inngår i programvaren. Som eksemplifisert ved denne protokoll, er en kombinasjon av kommersielle og åpen kildekode verktøy fruktbart så lenge dataene kan eksporteres (importert) i en kompatibel måte fra ett system til et annet.

5) Begrensninger og modifikasjoner: Den foreslåtte invasive / non-invasiv opptak rammeverk har begrensninger i både bruk og opptakene som følger med. Som et klinisk teknikk, er det bare rettet mot pasienter som gjennomgår behandling DBS for en bestemt medisinsk tilstand og hjerne mål følgelig hjernen områder som anses for study vil være begrenset av den operative plan. Den romlige oppløsningen av opptak som tilbys av denne teknikken er på nivå med LFP potensialer, vil dermed medisinsk translasjonsforskning studier som krever analyse av hjerneaktivitet ved Multiscale nivå må suppleres med dyrestudier som involverer opptak på celle-nivå. Med hensyn til DBS-DOC case-eksempel (eksempel 2), gjelder en begrensning også til allmenngyldighet oppnådde resultater som det avtaler med en enkelt-case study.

Mulige endringer og feilsøking av Flanker oppgave (eksempel 1) omfatter utvidelse av responsen stimulus-intervall (> 2000 msek) om manglende evne av pasienter å reagere innenfor et angitt tidsintervall. Dette er særlig viktig i tilfelle av Huntingtons sykdom pasienter, som er karakterisert ved brå ufrivillige bevegelser sammen med kognitive og emosjonelle nedgang. Også oppgaven (opprinnelig består av fire blokker med 120 stimuli each) kan forkortes på grunn av manglende evne av en pasient for å fortsette på grunn av tretthet. I dette henseende vil den fysiske tilstand og alder være bestemmende faktorer for pasientens valg.

Det konkluderes med at den foreslåtte invasiv / non-invasiv hjerne opptak tilnærming ikke bare representerer et kraftig verktøy for å trekke hjernen oscillasjon mønstre på Cortico-subcortikal nivå i forhold til kognitive og følelser paradigmer, men understreker også viktigheten av tids frekvens-fase analyser for å trekke ut hjernesynkroniseringsmønstre på ulike romlige og tidsmessige vedtak. Fremtidig bruk av denne teknikken omfatter studier av Cortico-subcortikal nevrale korrelater av kognitive og sensoriske behandling ved å målrette ikke bare pasienter som lider av motoriske forstyrrelser, men også psykiske lidelser som DOC, OCD, depresjon og demens.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne hevder at de ikke har noen konkurrerende økonomiske interesser.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av ERA-NET NEURON / BMBF Tyskland (Tymon). Publiserings avgifter dekkes av en bevilgning fra Universitetssykehuset Düsseldorf. Den Flanker oppgaven brukt her ble endret fra opprinnelig programmert versjonen av professor 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

Behavior Invasive subcortical opptak non-invasiv nevrofysiologiske opptak kognitiv funksjon emosjonell funksjon dyp hjernestimulering elektroencefalografi nevropsykiatri hjernesykdommer klinisk nevrovitenskap nevrale oscillasjon aktivitet lokale feltet potensial elektroencefalogram
Kombinert Invasive subkortikale og ikke-invasiv Surface Nevrofysiologiske Opptak for vurdering av kognitive og emosjonelle funksjoner hos 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