Introduction
Ces dernières années , il y a eu un intérêt croissant pour l'utilisation des mesures de temps de réaction comme une manière quantitative et non invasive d'obtenir des informations sur les mécanismes de haut niveau de prise de décision 1 neural. Un type de temps de réaction qui a été largement étudié est le temps nécessaire pour initier une saccade sur présentation d'un stimulus visuel, connu sous le nom de latence des saccades. Les saccades sont les mouvements oculaires rapides qui se produisent quand on passe rapidement notre regard d'un endroit à l'autre. Ils sont le type le plus courant des mouvements oculaires que nous faisons, se produisant à une fréquence typiquement deux ou trois par seconde. Chaque saccade est en effet une décision de regarder un repère dans le monde visuel plutôt qu'une autre 2.
Les voies neuronales contrôlant les mouvements oculaires ont été largement étudiés et sont assez bien documentées 3. L'utilisation d'équipements électroniques sensibles, les aspects de la fonction oculomotrice peuvent être précisément et objectively quantifié. Cela facilite l'étude détaillée des mouvements oculaires eux-mêmes, mais leur permet également d'être utilisé comme un outil pour enquêter sur d'autres domaines de la neurophysiologie et la physiopathologie.
mesure du mouvement des yeux peut fournir des informations utiles sur les états pathologiques. Mouvements oculaires saccadés ont récemment, par exemple, a reçu beaucoup d' attention en tant que biomarqueurs potentiels dans les maladies neurodégénératives , y compris les maladies de Huntington et de Parkinson 4,5 6,7, et il est bien établi que les temps de réaction saccadés ont tendance à être plus lente que la normale dans ces conditions. Les utilisations potentielles de mesure saccades comprennent les aides au diagnostic et au suivi de la maladie. tâches saccadés vont de la simple prosaccade (recherche le plus rapidement possible vers un stimulus visuel apparaissant soudainement à gauche ou à droite) pour des tâches plus complexes telles que la antisaccade (recherche le plus rapidement possible vers le côté opposé à un stimulus visuel) ou mémoire- saccade guidée (recherchevers l'emplacement souvenir d'une cible qui est plus là).
la stimulation cérébrale profonde est un traitement efficace pour plusieurs maladies neurologiques. Il est le plus couramment utilisé pour traiter les symptômes moteurs de la maladie de Parkinson, y compris les tremblements, la rigidité, la bradykinésie, et la dyskinésie. Il est également utilisé pour d'autres troubles du mouvement, y compris la dystonie et le tremblement essentiel, et moins souvent pour la douleur neuropathique, l'épilepsie et les troubles psychiatriques tels que le trouble obsessionnel compulsif. Il est le seul cadre dans lequel les scientifiques ont accès électrique direct aux structures profondes du cerveau humain in vivo et offre ainsi une occasion précieuse pour la neurologie expérimentale. Une variété de cibles sont stimulés en fonction de l'état à traiter, y compris plusieurs endroits dans les noyaux gris centraux, dont beaucoup sont impliqués dans les voies de oculomoteurs. Cela signifie qu'un grand nombre d'études peut être effectuée en utilisant le système DBS pour fournir une stimulationà un emplacement donné du cerveau et un dispositif de suivi de l'oeil pour enregistrer et analyser les effets. Selon le paradigme expérimental, ces études peuvent donner des informations sur la physiologie de la région stimulée, les effets de la maladie, ou le mécanisme par lequel DBS fonctionne dans ce contexte particulier. Cet article décrit une approche générale pour les tests de saccade oculaire chez les patients atteints de stimulation cérébrale profonde.
Plusieurs types d'équipements de suivi de l'oeil sont disponibles. Pour la recherche décrite dans ce protocole un saccadometer portable a été utilisé pour enregistrer horizontaux saccades oculaires. Saccadometers portables ont l'avantage de ne pas nécessiter l' appuie-tête (voir la figure 1), ce qui signifie que les sessions sont plus confortables pour les patients atteints de la maladie de Parkinson, en particulier pour ceux qui souffrent de dyskinésies sévères. Le saccadometer utilisé ici est léger et environ 5 cm de large et 10 cm de hauteur. Le mesu de saccadometerres mouvements oculaires par l'utilisation de oculographie infrarouge directe: une source et un capteur infrarouge placé en face de la médiale utilisation canthus lumière réfléchie par la cornée pour établir la position du globe oculaire de rotation à des intervalles de millisecondes. Afin d'obtenir des données de bonne qualité pour l'analyse de la saccadometer doit prélever des échantillons à un taux d'au moins 1 kHz avec au moins une résolution de 12 bits. Dans le saccadometer utilisé ici stimuli visuels étaient trois rouges 13 cd m -2 taches de lumière produite par construit dans les lasers de faible puissance, chaque tache sous - tendant certains 0,1 degrés, avec une tache sur la ligne médiane et les deux autres à ± 10 degrés (c. à droite et à gauche).
Figure 1. Le Saccadometer. Head monté saccadometer attaché à une bande élastique et reposant sur le pont du nez. Quatre lasers miniatures projettent cible visuelles sur une surface mate, et les mouvements des yeux du participant sont mesurées par différentiels transducteurs de réflectance infrarouge du côté nasal de chaque oeil. Comme les cibles laser se déplacent avec la tête, les appuie-tête ne sont pas nécessaires. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
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Protocol
Le comité d'éthique local a approuvé cette étude et a informé consenti a été obtenue à partir des participants comme détaillé ci-dessous dans la section 1.
1. Participant Consentement
- Fournir aux participants une fiche d'information qui explique en détail ce que la séance d'essais comprendra.
- Après que les participants ont la possibilité de lire et de discuter des questions, des préoccupations ou d'autres questions liées à leur participation à l'étude, passer par le formulaire de consentement avec eux, en expliquant chaque point sur le formulaire de consentement et en leur donnant la possibilité de poser des questions ils pourraient avoir. Demandez au participant de remplir le formulaire.
2. Mise en place du Saccadometer
- Placez le dispositif sur la tête du patient, garanti par une sangle élastique réglable et reposant sur le pont du nez. Parce que les stimuli se déplacent exactement à la tête, ne l'appuie-tête est nécessaire et que le dispositif est confortable à wear.
- Demandez au patient de rester à 1,5 m à partir d'un écran mat plat.
- Assurez-vous que l'éclairage ambiant est faible de sorte que les stimuli (taches de lumière rouge) sont clairement visibles.
3. Enregistrement d'une session saccadique
Remarque: A titre d'exemple un protocole standard qui teste les deux prosaccades et antisaccades 8 est décrite ici. Ce protocole se compose de cinq blocs: 60 prosaccades, 40 antisaccades x 3, et 60 prosaccades avec une pause de 1 min entre les blocs. La séance dure environ 40 min.
- Mettre en place la saccadometer de sorte que pour chaque essai la cible de fixation centrale est affichée pour une avant-période aléatoire de 1,0 à 2,0 secondes, après quoi il est éteint et l' une des cibles périphériques apparaît, au hasard à droite ou à gauche 9.
Remarque: Les trois cibles sont des taches de lumière rouge projetée sur l'écran en face du participant (voir 2.2) par de faibles lasers alimentés intégrés dans le saccadometer. L'aut saccadometercommutateurs omatically les lasers et hors d'affichage / éteindre les cibles dans la séquence nécessaire. - Instruire le participant que le test se compose de cinq blocs avec une pause d'une minute entre les blocs.
- Avant le premier bloc demander au participant de déplacer leurs yeux aussi rapidement et précisément que possible de suivre le point rouge sautant à partir du milieu d'un côté ou de l'autre et leur demander de faire cela 60 fois.
- Définir la saccadometer pour générer une séquence de 60 essais. Appuyez sur le bouton sur le saccadometer pour démarrer le premier bloc d'essais (prosaccades).
- Après l'achèvement du premier bloc, laisser un intervalle d'une minute avant que le deuxième bloc. Réinitialiser le saccadometer pour générer une séquence de 40 essais, et vers la fin de l'un écart de minutes, demander au participant pour le prochain bloc à déplacer leurs yeux le plus rapidement possible dans le sens opposé au point rouge, et expliquer qu'ils vont être nécessaire pour ce faire 40 fois. Démarrez le secbloc ond des essais (antisaccades).
- Après l'achèvement du deuxième bloc, laisser un autre intervalle de 1 min, répéter l'instruction à l'étape 3.5 et commencer le troisième bloc d'essais (antisaccades).
- Après l'achèvement du troisième bloc, laisser un autre intervalle de 1 min, répéter l'instruction à l'étape 3.5 et démarrer le quatrième bloc d'essais (antisaccades).
- Après l'achèvement du quatrième bloc, laisser un autre intervalle de 1 min, et expliquer que, pour le dernier bloc de tests demander aux participants de se déplacer leurs yeux aussi rapidement et précisément que possible de suivre le point rouge sautant à partir du milieu d'un côté ou la autre, exactement comme ils l'ont fait dans le premier bloc.
- Réinitialiser le saccadometer pour générer une séquence de 60 essais, et commencer le dernier bloc d'essais (prosaccades).
Figure 2. Tâches de mouvement des yeux. De illustrati schématiquessur montrant deux exemples de tâches saccadés. La tache bleue solide représente la cible et le cercle bleu en pointillés représente la zone de fixation. GAUCHE montre une tâche prosaccadic où le sujet est invité à regarder vers la cible. Montre DROIT un antisaccade où le sujet est invité à se détourner du stimulus visuel . Cela nécessite l' inhibition de la réponse prosaccade plus naturel et la production d'une saccade dans la direction opposée. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.
4. Réglages cérébrale profonde Stimulateur
Note: Pour les participants avec des stimulateurs cérébraux profonds mènent les tests jusqu'à présent avec un système de stimulateur fonctionner normalement, à savoir, un «sur la stimulation 'ensemble de données a été obtenue. Test doit maintenant être répétée avec le système de stimulateur désactivé (pour les participants témoins en bonne santé sans système DBS cette section ne sera pas applicable).
- Mettez le système DBS off. Pour ce faire, un personnel clinique formé. Laisser 30 minutes avant le test.
- Répétez le test saccades (étapes 03/02 à 03/09) pour obtenir un 'off stimulation' ensemble de données complet.
- Mettez le système DBS de retour sur (encore une fois cela devrait être fait par le personnel clinique formé de façon appropriée).
Analyse 5. Données
Note: Pour les participants avec des stimulateurs cérébraux profonds mènent les tests jusqu'à présent avec un système de stimulateur fonctionner normalement, à savoir, un «sur la stimulation 'ensemble de données a été obtenue. Test doit maintenant être répétée avec le système de stimulateur éteint (pour les participants témoins en bonne santé sans système DBS cette section ne sera pas appliquer).
- Télécharger les données brutes du saccadometer à un ordinateur pour l'analyse.
- Utilisez le logiciel du saccadometer à exclure saccades distorted par clignote et mouvements de la tête, et pour calculer des variables, y compris les latences des saccades, des vitesses de pointe, et des amplitudes.
Remarque: Les dossiers contaminés par des mouvements de tête excessifs ou clignote sont supprimées automatiquement par le logiciel.- Retirer saccades avec une latence inférieure à 80 msec ou supérieure à 1000 msec.
Remarque: la latence saccadique est calculée automatiquement en utilisant un algorithme saccade-détection basée sur la vitesse et l'accélération. L'apparition d'un saccade est identifié comme étant le moment où la vitesse de l'œil dépasse un seuil de 5 degrés / sec.
- Retirer saccades avec une latence inférieure à 80 msec ou supérieure à 1000 msec.
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Representative Results
La figure 3 montre un exemple de saccades trajectoires de mouvement des yeux, du patient , de la maladie de Parkinson , avec un noyau subthalamique DBS système implanté. Les deux graphes donnent le tracé des prosaccades du patient avec le système stimulateur déclenché (graphique supérieur) et activé (graphique inférieur). Chaque tracé sur le graphique représente la trajectoire d'un seul saccade, à savoir comment la position de l' oeil en degrés par rapport à l'axe médian (axe y) varie en fonction du temps (axe des x). Les deux saccades gauche et à droite sont représentés sur le graphique des déviations des valeurs de degré positives. Le temps zéro est l'instant que la cible centrale disparaît et la cible périphérique apparaît. L'intervalle entre ce dernier et le début de la saccade (le moment où la courbe dévie de zéro degré) est appelé temps de latence des saccades et l'observation principale est que la répartition des saccades est modifiée lorsque le stimulateur est en marche, avec un réduction du nombre de saccades de latence longue et une diminution correspondante de la latence moyenne.
Figure 3. Prosaccadic Trajectoire Résultats. Cela montre les saccades résultats des mouvements oculaires de latence du patient de Parkinson après avoir subi une stimulation cérébrale profonde du noyau subthalamique. UPPER montre le profil de latence du patient lorsque le stimulateur est éteint INFÉRIEUR montre le profil de latence de la même patient lorsque le stimulateur est en marche. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
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Discussion
Le facteur le plus important dans l'obtention de données saccades de bonne qualité est de veiller à ce que les instructions données au participant sont claires et précises. Par exemple, si les instructions pour la tâche antisaccadic ne sont pas tout à fait clair, le participant est susceptible d'exécuter prosaccades à la place. Les enregistrements peuvent également être gâtés si le participant ne peut pas voir clairement les stimuli ou l'saccadometer ne peut pas mesurer avec précision la position des yeux. Ainsi, si les données semblent être de mauvaise qualité de l'expérimentateur doit vérifier que la lumière ambiante est pas trop lumineux et que le saccadometer est assis correctement sur le pont du nez.
La stimulation cérébrale profonde permet la modification directe de l'activité neuronale à un divers endroits dans les noyaux gris centraux. Couplé avec des équipements qui peuvent précisément et objectivement quantifier les mouvements oculaires, DBS peut être utilisée pour étudier le fonctionnement normal et anormal de ces zones du cerveau.
Expériencesà l'aide saccadometry en liaison avec DBS doit souvent faire avec plus d'une inconnue simultanément. Les cerveaux à l'étude sont malades à un degré variable, et nous ne savons pas avec certitude le mécanisme par lequel DBS atteint ses effets, avec des hypothèses, y compris l'activation des neurones dans la zone ciblée, dépolarisants blocus de neurones, la stimulation des afférences et / ou axones efférents et des effets plus complexes sur l'activité du réseau.
Les sujets souffrant de maladies neurodégénératives sont souvent des médicaments et ce sera presque universelle pour les patients avec les patients parkinsoniens qui ont des systèmes DBS. Les saccades sont touchés par des médicaments antiparkinsoniens, et dans le but de faire une évaluation valable des effets de DBS sur les paramètres des saccades, l'état des médicaments doivent être similaires lors des tests avec DBS et DBS sur off. Cela signifie soit ayant fait l'objet de tous les médicaments pour la durée de l'essai (y compris une période de retrait à l'avance), ou bien la conduite sur DBS et oessais ff-DBS dans un délai raisonnablement court laps de temps. Il a été démontré que l'usure complète hors des effets de DBS sur saccades prend plusieurs heures , mais que la plupart du changement a lieu dans les 30 min 10. Le cours du temps suggère plusieurs mécanismes avec différents cours de temps, à partir de (effets électriques) très rapides à beaucoup plus prolongée (par exemple, la synthèse des protéines). Les 30 min suggéré dans le protocole sera donc capturer la plupart des changements induits par DBS, et est beaucoup plus courte que l'intervalle de dosage typique de plusieurs heures. Il ne donne pas suffisamment de temps pour les mécanismes plus lents à régler à l'état d'équilibre, et retester à des intervalles plus longs peuvent être utiles pour fournir un aperçu de ces mécanismes. Avec plus les lacunes on ne pouvait pas supposer que les niveaux de médicaments tout en testant et hors DBS étaient approximativement similaires, ainsi des intervalles plus longs sont susceptibles d'être plus faciles à interpréter lors du test de médicaments.
La plupart de la littérature sur l'effets de DBS sur les mouvements oculaires a mis l'accent sur la stimulation à haute fréquence du noyau subthalamique dans PD. latence Prosaccadic se prolonge dans PD et il est bien établi que STN DBS peut sensiblement réduire vers des valeurs normales (exactement comment reste ouvert à débat). Toutefois , lorsque saccadometry est effectuée dans la période postopératoire précoce, dans les heures ou jours d'insertion du plomb et avant la stimulation électrique est en marche, il est constaté que les latences sont en fait augmenté de 11. l'insertion de l'électrode provoque un œdème et cela conduira à une ablation fonctionnelle temporaire du cerveau entourant immédiatement l'électrode; cette règle dans quelques semaines et les paramètres des saccades revenir à la ligne de base (stimulateurs sont généralement pas activés jusqu'à ce que quelques semaines après l'opération pour permettre cette fois de régler). L'opposition frontale des effets d'insertion d'électrode et de stimulation est d'un intérêt considérable, car il montre que l'une des théories précédemment avancées pour expliquer commentDBS travaille, par le blocage de la structure stimulée (ie, l' ablation fonctionnelle), ne peut pas expliquer en détail son mécanisme d'action. D' autres études ont montré des effets similaires 12-14.
Il est possible de construire des expériences combinant DBS et saccadometry pour étudier la physiologie normale. Un grand soin doit être pris avec la conception et l'interprétation des résultats expérimentaux, parce que le sujet expérimental a nécessairement une condition neurologique. Une approche consiste à comparer les résultats des tests saccades avec DBS au large et sur les résultats des participants témoins en bonne santé sans DBS. Si les résultats chez les sujets DBS avec leurs stimulateurs éteints ressemblent à ceux dans les contrôles, alors il est raisonnable de procéder sur la base que les changements dans les mouvements oculaires observés en réponse à DBS sont susceptibles d'être similaires à ceux qui seraient vu si l'expérience pourrait être fait dans les participants sans maladie. Par exemple, la performance d'un protâche saccade qui a été mis en place afin que le stimulus visuel est plus susceptible d'apparaître sur un côté que de l'autre, est similaire pour les participants sains et des patients parkinsoniens avec les systèmes STN DBS en place mais désactivé. Les latences raccourcissent pour saccades dans le sens où la cible est plus susceptible d'apparaître et de prolonger dans le sens moins probable. Lorsque les systèmes sont activés, l'allongement de la latence dans le sens moins probable disparaît, et l'interprétation est que la STN exerce une fonction de normalisation de probabilité 15. Les patients de cette étude avaient PD, mais ce ne fut pas directement pertinent pour le résultat. Bien sûr, cela est une hypothèse importante et il est possible que la maladie modulant la réponse à la DBS même si elle n'a pas d'incidence sur la performance de base. En outre, la similitude des hors-DBS et des données de contrôle peut être dû à des mécanismes de compensation plutôt que d'un manque d'effet de pathologie sur les paramètres mesurés. Les résultats doivent être interpreted avec cela à l'esprit.
Une fois les techniques de base décrites dans le protocole ont été maîtrisé l'approche peut être étendue à des paradigmes plus complexes. Beaucoup de différentes tâches saccadés ont été développés, dont la tâche de probabilité sur la base décrite dans le paragraphe précédent est juste un. D' autres exemples comprennent la mémoire guidée saccades 16 ( en regardant vers l'emplacement souvenir d'un stimulus qui est plus là) ou des tâches saccades sur la base de récompense conçus pour invoquer la fonction limbique 17.
Ici, nous avons décrit l'un des plus simples tâches saccadés, une tâche d'étape horizontale guidée visuellement 10 degrés. De nombreuses modifications de la tâche sont possibles , telles que l' insertion d' un décalage temporel entre le point de fixation disparition et l' apparence de périphérique cible 18-20 ou un chevauchement 21 où le point de fixation et la cible latérale sont présents simultanément. Paradigmes de ce genre ont été utilisées afin de comprendre sinitiation accadic et corrélats neuronaux ont été observées dans les domaines de la vue frontale 20,22 et le colliculus supérieur 23. Une discussion détaillée des diverses utilisations des différents paradigmes saccadés est au-delà du champ d'application de cet article; pour une revue voir 1.
Saccadometry a une large application en dehors de son utilisation dans DBS. saccades voies impliquent de multiples parties des noyaux gris centraux et les changements saccadés sont un biomarqueur potentiel pour toute condition qui endommage ou perturbe le fonctionnement de ces structures. Saccadometry a par exemple été étudiée pour une utilisation dans les maladies neurodégénératives, y compris PD, la maladie de Huntington, la démence fronto-temporale, la sclérose latérale amyotrophique, ainsi que des blessures à la tête et dans les troubles métaboliques, y compris l'encéphalopathie hépatique.
En conclusion, saccadometry est un outil quantitatif utile par lui-même, mais la combinaison avec la stimulation cérébrale profonde ouvre une gamme de experimenapproches mentales qui peuvent apporter un éclairage nouveau sur la fonction cérébrale à la fois la santé et de la maladie.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Saccadometer device | Ober Consulting Poland | ||
| Computer with Windows environment | |||
| Software, Latency Meter for downloading the raw data from the saccadometer |
References
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