The present protocol aims at assessing cognitive-emotional functions in the basal ganglia by simultaneous neurophysiological recording of local field potentials and non-invasive brain cortical activity (EEG). The procedure is exemplified by the use of paradigms involving speech stimuli with emotional connotation or the Flanker task involving cognitive control.
Trots framgångarna vid tillämpningen av icke-invasiv elektroencefalografi (EEG), magneto-encephalography (MEG) och funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) för att extrahera viktig information om mekanismen för den mänskliga hjärnan, sådana metoder fortfarande otillräckliga för att ge information om fysiologiska processer som återspeglar kognitiva och emotionella funktioner på subkortikal nivå. I detta avseende, moderna invasiva kliniska metoder i människor, såsom djup hjärnstimulering (DBS), erbjuder en enorm möjlighet att spela in subkortikal hjärnaktivitet, det vill säga lokala fält potentialer (LFPs) representerar sammanhängande verksamhet av neurala församlingar från lokal basala ganglierna eller talamiska regioner . Trots att invasiva metoder hos människor tillämpas endast efter medicinsk indikation och därmed inspelade data motsvarar förändrade hjärnkretsar, kan värdefull insikt vinnas om närvaron av intakta hjärnfunktioner i förhållande till hjärnan oscillerandeaktivitet och patofysiologin av störningar till följd av experimentella kognitiva paradigm. I denna riktning, ett växande antal DBS studier på patienter med Parkinsons sjukdom (PD) riktar inte bara motoriska funktioner utan också högre processer nivå såsom känslor, beslutsfattande, uppmärksamhet, minne och sensorisk perception. Nyligen utförda kliniska prövningar betonar också betydelsen av DBS som ett alternativ behandling i neuropsykiatriska störningar som sträcker sig från tvångssyndrom (OCD) till kroniska sjukdomar i medvetandet (DOC). Därför fokuserar vi på användning av kombinerade invasiva (LFP) och icke-invasiva (EEG) mänskliga hjärnan inspelningar att bedöma rollen av kortikala-subkortikala strukturer i kognitiva och emotionella bearbetning tråg experimentella paradigm (t.ex.. Tal stimuli med känslomässig klang eller paradigm av kognitiv kontroll såsom Flanker uppgift), för patienter som genomgår DBS behandling.
Invasiva neurofysiologiska inspelningar i människor går tillbaka till sädes- studier inriktade electrocorticographic inspelningar från kortikala områden och lillhjärnan under epilepsikirurgi och tumör forskning 1. En viktig milstolpe i vidareutveckling av ett sådant förfarande inspelningen har varit införandet av den stereotaktiska teknik som ger säker och effektiv tillgång till djupa strukturer i den mänskliga hjärnan två. Bortsett från klinisk behandling, hjärn invasiva metoder i människor ger en ganska unik möjlighet att studera hjärnans funktion i förhållande till inspelade aktivitetsmönster moduleras av yttre stimuli, särskilt fallet intra- och postoperativa invasiva inspelningar hos patienter som genomgår djup hjärnstimulering (DBS ) förfaranden. Tillämpligheten och användbarheten av DBS har tagits upp i olika neurologiska och neuropsykiatriska sjukdomar av Parkinsons sjukdom (PD) till tvångssyndrom (OCD) eller tillstånd som chronic störningar av medvetande (DOC).
I synnerhet har DBS använts vid behandling av Parkinsons sjukdom 3,4,5, essentiell tremor 6, primär / genersegment dystoni 7,8,9, Huntingtons sjukdom 10,11, behandlingsresistent-depression 12,13, nikotin och alkoholmissbruk 14, Alzheimers sjukdom 15,16, Tourettes syndrom 17 och kronisk sjukdom i medvetandet (DOC) 18,19,20.
Inom ramen för neuropsykiatri, är DBS en godkänd / CE-märkt behandling för tvångssyndrom (OCD) med inriktning på främre delen av den inre kapseln (ALIC) och används med inriktning på ventrala kapsel / ventrala striatum / ventrala caudate (VC / VS), nucleus accumbens (NAC) och nucleus subthalamicus (STN) 21. Beträffande DBS i OCD 22 nya studier betona vikten av STN i mekanismen för tvångs kontrolling genom att utnyttja minnesbaserad paradigm 23,24,25.
Anmärkningsvärt, modulering av hjärnaktivitet under påverkan av paradigm med kognitiva och emotionella klang har betonats i DOC 26,27,28,29. Således är DBS markeras inte bara som en blivande behandling för kronisk DOC, men också som en klinisk procedur som öppnar upp möjligheten att studera modulering av subkortikala aktivitet genom att spela in lokala fält potentialer (LFP) från centrala talamus regioner intra- och post- operativt.
I DBS är neurokirurgisk implantation av elektroder baserat på den stereotaktiska teknik som säkert står för hjärnan anatomiska begränsningar, medan patientens stimulering är anpassad genom intra-operativa impulsstimuleringstester. Postoperativ LFP inspelning är möjlig efter initial implantation av DBS elektroderna och före internalisering av impulsgeneratorn. I synnerhet är det nuvarande protokollet centered på postoperativa inspelningar.
I kombination med LFPs, kan samtidig inspelning av kortikal hjärnaktivitet uppnås exempelvis genom icke-invasiv elektroencefalografi (EEG) eller magnetencefalografi (MEG) 30,31. Dessa två icke-invasiva metoder stöds på grund av dess utmärkta tidsupplösning. Medan MEG är mindre drabbade än EEG av skallen effekter 32 visas EEG fördelaktigt eftersom det är mindre påverkas av artefakter orsakade av metalliska implantat och huvudrörelser och den kan användas vid patientens säng-sida 33. Genom samtidig inspelning av kortikal-subkortikala hjärnaktivitet (LFP och EEG / MEG) som svar på tillämpade emotionella kognitiva paradigm, kan olika relationer mellan hjärn svängningar och beteende fastställas på grundval av tid-frekvenskoppling analyser 34. I sin tur kan sådana mönster leda till potentiella biomarkörer för en patients individuella kognitiva och emotionella tillstånd och optimization av behandlingsparametrar väger individualiserade inställningar.
Följande protokoll mål invasiva och icke-invasiva neurofysiologisk inspelning hos människor för bedömning av kognitiv och emotionell funktion, särskilt på kortikala och subkortikala nivå (EEG och LFPs).
För det första neurofysiologiska inspelning Stegen illustreras i videon, som bifogas detta protokoll, motsvarar en inspelning med ett exempel patient med rörelsestörning som utför så kallade Flanker uppgift (Exempel 1).
För det andra steg i protokollet diskuteras genom att fokusera på metoder för analys och provresultat som tagits från en publicerad DBS exempel vid kronisk DOC 26 (Exempel 2).
Dessa två exempel belysa tillämpningen av det föreslagna protokollet till DBS-behandlade patienter med olika sjukdomar och olika experimentella paradigm.
I motsats till icke-invasiv hjärninspelningstekniker som hårbotten-EEG och MEG, ger den föreslagna kombinerade invasiva och icke-invasiva neurofysiologisk ram inspelning en enastående möjlighet att extrahera information från kortikala och subkortikala områden i relation till kognitiva och emotionella uppgifter. Sådan information reflekteras av hjärn oscillerande aktivitet vid flera frekvensband och olika organisationsnivåer i förhållande till hjärnans funktion 44. Brain oscillerande mönster som …
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av ERA-NET Neuron / BMBF Tyskland (Tymon). Publiceringsersättning täcks av ett bidrag från universitetssjukhuset i Düsseldorf. Den Flanker uppgift som används här har ändrats från den initialt programmerade version av Prof. C. Beste och hans grupp 47.
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 | |
INOMED MER system | INOMED Corp., Emmendingen, Germany | Quantity: 1 | |
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 extenion 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 |