Introduction
Negli ultimi anni c'è stato un crescente interesse per l'uso di misure di tempi di reazione come un modo quantitativo e non invasivo di ottenere informazioni sui meccanismi alto livello di decisione neurale facendo 1. Un tipo di tempo di reazione che è stato ampiamente studiato è il tempo necessario per avviare un saccade su presentazione di uno stimolo visivo, noto come latenza saccadico. Saccades sono i movimenti oculari rapidi che si verificano quando ci spostiamo rapidamente lo sguardo da un luogo all'altro. Essi sono il tipo più comune di movimenti oculari facciamo, che si verificano ad una frequenza di tipicamente due o tre al secondo. Ogni saccade è in effetti una decisione a guardare uno spunto nel mondo visivo piuttosto che un altro 2.
I percorsi neurali che controllano i movimenti oculari sono stati ampiamente studiati e sono abbastanza ben documentati 3. Utilizzando apparecchiature elettroniche sensibili, aspetti della funzione oculomotor possono essere preciso e objectively quantificato. Questo facilita lo studio dettagliato dei movimenti oculari stessi, ma consente anche loro di essere utilizzati come strumento per indagare su altre aree della neurofisiologia e fisiopatologia.
misura il movimento degli occhi può fornire informazioni utili su stati di malattia. Movimenti oculari saccadici hanno recentemente, per esempio, ha ricevuto molta attenzione come potenziale biomarker in patologie neurodegenerative tra cui il morbo di Huntington e Parkinson 4,5 6,7, ed è ben stabilito che i tempi di reazione saccadici tendono ad essere più lenta del normale in queste condizioni. I potenziali usi di misura saccadico includono un aiuto per la diagnosi e il monitoraggio della malattia. compiti saccadici vanno dal semplice prosaccade (guardando il più rapidamente possibile verso uno stimolo visivo improvvisamente appare a sinistra o destra) per compiti più complessi come la antisaccade (guardando il più rapidamente possibile al lato opposto ad uno stimolo visivo) o Memory saccade guidata (guardandoverso la posizione ricordato di un bersaglio che non c'è più).
la stimolazione cerebrale profonda è un trattamento efficace per diverse condizioni neurologiche. E 'più comunemente usato per trattare i sintomi motori della malattia di Parkinson tra cui tremore, rigidità, bradicinesia, e discinesia. E 'utilizzato anche per altri disturbi del movimento, tra cui distonia e tremore essenziale, e meno comunemente per il dolore neuropatico, epilessia, e condizioni psichiatriche come il disturbo ossessivo compulsivo. E 'l'unico ambiente in cui gli scienziati hanno accesso elettrico diretto alle strutture profonde del cervello umano in vivo e offre quindi una preziosa opportunità per la neurologia sperimentale. Una varietà di obiettivi vengono stimolati a seconda delle condizioni da trattare, tra cui diverse località nei gangli della base, molti dei quali sono coinvolti in percorsi oculomotori. Ciò significa che una vasta gamma di studi può essere effettuato utilizzando il sistema DBS trasportare lo stimoload un determinato luogo del cervello e un dispositivo di tracciamento oculare per registrare e analizzare i suoi effetti. Secondo il paradigma sperimentale, tali studi possono fornire informazioni sulla fisiologia della regione stimolata, gli effetti della malattia, o il meccanismo con cui DBS sta lavorando in quel particolare impostazione. Questo articolo descrive un approccio generale alla saccadico test movimento degli occhi in pazienti stimolazione cerebrale profonda.
Diversi tipi di apparecchiature di tracciamento dell'occhio sono disponibili. Per la ricerca descritta in questo protocollo un saccadometer portatile è stato utilizzato per registrare i movimenti oculari saccadici orizzontali. Saccadometers portatili hanno il vantaggio di non richiedere poggiatesta (vedi figura 1), il che significa che le sessioni sono più confortevoli per i pazienti con malattia di Parkinson, in particolare per coloro che soffrono di gravi discinesie. Il saccadometer usato qui è leggero e larga circa 5 cm e alto 10 cm. Il measu saccadometerres movimenti oculari mediante l'uso di oculografia diretta a infrarossi: una sorgente di raggi infrarossi e sensore posizionato davanti alla luce dell'uso canto mediale riflessa dalla cornea per stabilire la posizione di rotazione del bulbo oculare a intervalli millisecondo. Al fine di acquisire dati di buona qualità per l'analisi del saccadometer dovrebbe campione ad una velocità di almeno 1 kHz con almeno risoluzione a 12 bit. Nella saccadometer qui utilizzato stimoli visivi erano tre rossi 13 cd m -2 macchie di luce prodotta da incasso in laser a bassa potenza, ogni spot sottendono alcuni 0,1 gradi, con un punto sulla linea mediana e le altre due a ± 10 gradi (cioè , a destra ea sinistra).
Figura 1. Il Saccadometer. Testa montata saccadometer collegato a un elastico e di riposo sul ponte del naso. Quattro laser in miniatura progetto di destinazione visivas su una superficie opaca, e movimenti dell'occhio del partecipante è misurato a differenziali trasduttori riflettanza all'infrarosso sul lato nasale ciascun occhio. Come gli obiettivi del laser si muovono con la testa, poggiatesta non sono necessari. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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Protocol
Il comitato etico locale ha approvato questo studio e ha informato acconsentì è stato ottenuto dai partecipanti come indicato di seguito nella sezione 1.
1. partecipante Consenso
- Fornire ai partecipanti un foglio informativo che spiega in modo dettagliato cosa la sessione di test includerà.
- Dopo che i partecipanti hanno la possibilità di leggere e discutere tutte le domande, dubbi o altre questioni legate alla loro parte presa in studio, passare attraverso il modulo di consenso con loro, spiegando ogni punto il modulo di consenso e dando loro la possibilità di fare tutte le domande potrebbero avere. Chiedi ai partecipanti di compilare il modulo.
2. Impostazione del Saccadometer
- Posizionare il dispositivo sulla testa del paziente, garantito da una cinghia elastica regolabile e appoggiato sul dorso del naso. Poiché gli stimoli muovono esattamente con la testa, senza appoggiatesta è necessario e il dispositivo è comodo da wear.
- Chiedere al paziente di sedersi a 1,5 m da uno schermo opaco piatta.
- Assicurarsi che la luce ambiente è debole in modo che gli stimoli (punti luce rossa) si vedono chiaramente.
3. registrazione di una sessione saccadici
Nota: Per fare un esempio un protocollo standard che mette alla prova sia prosaccades e antisaccades 8 è descritto qui. Questo protocollo si compone di cinque blocchi: 60 prosaccades, 40 antisaccades x 3, e 60 prosaccades con una pausa di 1 minuto tra i blocchi. La seduta dura circa 40 min.
- Impostare il saccadometer modo che per ogni prova viene visualizzata la porta fissazione centrale per un casuale fore periodo di 1,0 - 2,0 sec, dopo di che si spegne e uno dei bersagli periferici appare, in modo casuale a destra oa sinistra 9.
Nota: I tre obiettivi sono macchie di luce rossa proiettata sullo schermo di fronte al partecipante (vedi 2.2) da una bassa potenza laser integrati nel saccadometer. L'aut saccadometerinterruttori omatically i laser e si spegne alla visualizzazione / spegnere gli obiettivi nella sequenza necessaria. - Istruire il partecipante che il test è composto da cinque blocchi con una pausa di un minuto tra i blocchi.
- Prima del primo blocco istruire il partecipante di spostare i loro occhi più rapidamente e accuratamente possibile seguire il punto rosso saltando dal centro verso un lato o l'altro e indicare loro di fare questo 60 volte.
- Impostare la saccadometer per generare una sequenza di 60 prove. Premere il pulsante sulla saccadometer per avviare il primo blocco di prove (prosaccades).
- Dopo il completamento del primo blocco, lasciare uno spazio un minuto prima del secondo blocco. Ripristinare il saccadometer per generare una sequenza di 40 studi, e verso la fine del un'intercapedine minuti, istruire il partecipante per il blocco successivo di spostare i loro occhi più rapidamente possibile nella direzione opposta al punto rosso, e spiega che faranno essere richiesto di fare questo 40 volte. Avviare il secblocco OND di prove (antisaccades).
- Dopo il completamento del secondo blocco, lasciare un ulteriore 1 min gap, ripetere l'istruzione in fase 3.5 e avviare il terzo blocco di prove (antisaccades).
- Dopo il completamento del terzo blocco, lasciare un ulteriore 1 min gap, ripetere l'istruzione in fase 3.5 e avviare il quarto blocco di prove (antisaccades).
- Dopo il completamento del quarto blocco, lasciare un ulteriore 1 min gap, e spiega che per il blocco finale di test chiedere ai partecipanti di spostare i loro occhi più rapidamente e accuratamente possibile seguire il punto rosso saltando dal centro verso un lato o altri, esattamente come nel primo blocco.
- Ripristinare il saccadometer per generare una sequenza di 60 prove, e avviare il blocco finale di prove (prosaccades).
Figura 2. Operazioni di movimento degli occhi. Illustrati schematicisulla mostra due esempi di attività saccadici. Lo spot blu continua rappresenta il bersaglio e il cerchio blu tratteggiata rappresenta l'area di fissaggio. Sinistra mostra un compito prosaccadic in cui il soggetto viene chiesto di guardare verso il bersaglio. A destra mostra un antisaccade in cui si chiede al soggetto di distogliere lo sguardo dallo stimolo visivo . Ciò richiede l'inibizione della risposta prosaccade più naturale e generazione di una saccade in direzione opposta. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
4. Impostazioni stimolatore cerebrale profonda
Nota: per i partecipanti con stimolatori cerebrali profondi condurre i test finora con sistema stimolatore esecuzione come normale, vale a dire, un set di dati 'sulla stimolazione' è stato ottenuto. Test ora deve essere ripetuta con il sistema stimolatore spento (per i partecipanti di controllo sani, senza sistemi di DBS non si applica questa sezione).
- Spegnere il sistema DBS off. A tale scopo, un personale clinico addestrato. Lasciare 30 minuti prima del test.
- Ripetere il test saccadico (passi 3,2-3,9) per ottenere un 'off stimolazione' set di dati completo.
- Accendere il sistema DBS indietro (anche questo dovrebbe essere fatto da personale clinico adeguatamente formato).
Analisi 5. I dati
Nota: per i partecipanti con stimolatori cerebrali profondi condurre i test finora con sistema stimolatore esecuzione come normale, vale a dire, un set di dati 'sulla stimolazione' è stato ottenuto. Test ora deve essere ripetuta con il sistema stimolatore spento (per i partecipanti sani di controllo senza sistemi di DBS questa sezione non si applica).
- Scarica i dati grezzi dal saccadometer ad un computer per l'analisi.
- Utilizzare il programma software del saccadometer di escludere saccades distorsioneTed lampeggia e movimenti della testa, e per calcolare le variabili tra cui latenze saccadici, velocità di picco, e ampiezze.
Nota: Records contaminati da movimenti della testa eccessivi o lampeggia vengono rimossi automaticamente dal software.- Rimuovere saccades con una latenza inferiore a 80 msec o superiore a 1.000 msec.
Nota: la latenza saccadici viene calcolata automaticamente utilizzando un algoritmo di saccade di rilevamento sulla base di velocità e accelerazione. L'insorgenza di una saccade è identificato come il punto in cui la velocità dell'occhio supera una soglia di 5 gradi / sec.
- Rimuovere saccades con una latenza inferiore a 80 msec o superiore a 1.000 msec.
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Representative Results
La Figura 3 mostra un esempio di saccadici traiettorie dei movimenti oculari, da paziente morbo di Parkinson con un nucleo di sistema DBS subtalamico impiantato. I due grafici tracciano prosaccades del paziente con il sistema stimolatore spento (grafico superiore) e inserita (grafico inferiore). Ciascuna traccia diagrammi mostra la traiettoria di un singolo saccade, cioè, come la posizione dell'occhio in gradi di distanza dalla linea mediana (asse y) varia in funzione del tempo (asse x). Sia saccadi leftward e destrorsi vengono visualizzati sul grafico come deviazioni ai valori grado positivo. Tempo zero è il momento che l'obiettivo centrale scompare e appare il bersaglio periferico. L'intervallo tra questo e l'inizio della saccade (il momento in cui la traccia devia da zero gradi) è chiamato latenza saccadica, e l'osservazione principale è che la distribuzione delle saccadi è alterata quando lo stimolatore è acceso, con un reduction del numero di lunghe saccadi latenza e una corrispondente diminuzione della latenza media.
Figura 3. Prosaccadic traiettoria Risultati. Questo dimostra i saccadici risultati di latenza movimento degli occhi da paziente di Parkinson dopo aver subito stimolazione cerebrale profonda del nucleo subtalamico. Superiore visualizza il profilo di latenza del paziente quando lo stimolatore è spento inferiore mostra il profilo di latenza della stesso paziente quando lo stimolatore è acceso. Fai clic qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Il fattore più critico per ottenere dati di buona qualità saccadico è garantire che le istruzioni date al partecipante sono chiare e precise. Ad esempio, se le istruzioni per l'attività antisaccadic non sono completamente chiare, il partecipante è probabile eseguire prosaccades invece. Le registrazioni possono anche essere viziato, se il partecipante non può vedere chiaramente gli stimoli o il saccadometer non può misurare con precisione la posizione degli occhi. Pertanto, se i dati sembrano essere di bassa qualità sperimentatore dovrebbe verificare che la luce ambiente non è troppo luminoso e che il saccadometer è seduto correttamente sul ponte del naso.
La stimolazione cerebrale profonda consente la modifica diretta di attività neurale in un varie località nei gangli basali. Accoppiato con apparecchiature che possono accuratamente e quantificare obiettivamente movimenti oculari, DBS può essere usato per studiare il funzionamento normale e anormale di queste aree cerebrali.
esperimentiutilizzando saccadometry in combinazione con DBS deve spesso combattere con più di una incognita simultaneamente. Il cervello in fase di studio sono malati, in misura variabile, e non sappiamo con certezza il meccanismo con cui DBS sta raggiungendo i suoi effetti, con le ipotesi, tra cui attivazione dei neuroni nell'area target, depolarizzazione blocco dei neuroni, la stimolazione della afferenti e / o assoni efferenti, e più effetti complessi sulle attività di rete.
I soggetti con malattie neurodegenerative sono spesso sul farmaco e questo sarà quasi universale per i pazienti con i pazienti PD che hanno sistemi di DBS. Saccades sono influenzati da farmaci antiparkinsoniani, e al fine di effettuare una valutazione valida degli effetti della DBS sui parametri saccadici, Stato farmaci devono essere simili durante il test con DBS on e off DBS. Questo significa o avente oggetto tolti tutti i medicinali per la durata della prova (compreso un periodo di sospensione anticipo), o altro conduttore on-DBS e otest FF-DBS entro un termine ragionevolmente breve tempo. È stato dimostrato che la completa wearing off degli effetti della DBS su saccades richiede diverse ore, ma che la maggior parte della variazione avviene entro 30 min 10. L'andamento nel tempo suggerisce meccanismi multipli con diversi corsi di tempo, dal (effetti elettrici) molto veloci a (ad esempio, la sintesi proteica) molto più prolungata. I 30 min suggerito nel protocollo sarà pertanto catturare maggiormente il cambiamento indotto DBS, ed è molto più breve rispetto al tipico intervallo di somministrazione di diverse ore. Non dà un tempo adeguato per i meccanismi più lenti di depositarsi stato stazionario, e ripetere il test a intervalli più lunghi possono essere utili nel fornire una visione in questi meccanismi. Con le lacune più non si poteva supporre che i livelli di farmaco durante il test e lo spegnimento DBS erano circa simile, quindi intervalli più lunghi sono suscettibili di essere più facile da interpretare durante il test fuori farmaco.
La maggior parte della letteratura sul effetti di DBS sui movimenti oculari è concentrata sulla stimolazione ad alta frequenza del nucleo subtalamico nella malattia di Parkinson. latenza Prosaccadic si prolunga nel PD ed è ben noto che STN DBS può ridurre in modo sostanziale verso i valori normali (esattamente come rimane aperta a discussione). Tuttavia quando saccadometry viene eseguita nel periodo postoperatorio, entro ore o giorni di inserimento piombo e prima che la stimolazione elettrica è acceso, si è constatato che le latenze sono in realtà aumentate 11. inserimento dell'elettrodo provoca edema e questo porterà ad ablazione funzionale temporanea del cervello immediatamente circostante l'elettrodo; questo risolve in poche settimane e parametri saccadici tornare alla linea di base (stimolatori non sono comunemente accesi fino a poche settimane dopo l'intervento per consentire questa volta di stabilirsi). La oppositeness degli effetti di inserimento dell'elettrodo e stimolazione è di notevole interesse, perché illustra che una delle teorie precedentemente avanzate per spiegare comeDBS sta lavorando, dal blocco della struttura stimolata (cioè, l'ablazione funzionale), non può ampiamente spiegare il suo meccanismo di azione. Altri studi hanno trovato effetti simili 12-14.
E 'possibile costruire esperimenti che combinano DBS e saccadometry indagare normale fisiologia. Grande cura deve essere presa con il design sperimentale e interpretazione dei risultati, perché il soggetto sperimentale ha necessariamente una condizione neurologica. Un approccio è quello di confrontare i risultati dei test saccadico con DBS e spegnendo ai risultati dei partecipanti sani di controllo senza DBS. Se i risultati nei soggetti DBS con i loro stimolatori trasformato fuori simili a quelli nei controlli, allora è ragionevole procedere sulla base che cambia nei movimenti oculari osservati in risposta al DBS sono suscettibili di essere simili a quelle che si sarebbe visto se l'esperimento potrebbe essere fatto nei partecipanti senza malattia. Ad esempio, la prestazione in un procompito saccade che è stato impostato in modo che lo stimolo visivo è più probabile che appaiono da una parte che dall'altra, è simile per i partecipanti sani e pazienti PD con sistemi STN DBS a posto ma spento. Latenze accorciano per saccadi nella direzione in cui il bersaglio è più probabile ad apparire, e si allungano in direzione meno probabile. Quando i sistemi sono attivati, l'allungamento della latenza nella direzione meno probabile scompare, e l'interpretazione era che il STN sta eseguendo una funzione di normalizzazione probabilità 15. I pazienti di questo studio avevano PD, ma che non era direttamente rilevanti per il risultato. Naturalmente questo è un assunto notevole ed è possibile che la malattia modula la risposta al DBS anche se non ha influenzato le prestazioni di base. Inoltre, la somiglianza dei dati di controllo off-DBS e può essere il risultato di meccanismi di compensazione piuttosto che una mancanza di effetto di patologia sui parametri da misurare. I risultati devono essere interpreted con questo in mente.
Una volta che le tecniche di base descritte nel protocollo sono stati masterizzati l'approccio può essere esteso a paradigmi più complesse. Molti compiti saccadici differenti sono state sviluppate cui compito probabilità basata descritto nel paragrafo precedente è solo uno. Altri esempi includono memoria guidata saccades 16 (guardando verso la posizione ricordato di uno stimolo che non c'è più) o compiti saccadici ricompensa-based progettato per richiamare la funzione limbico 17.
Qui abbiamo descritto uno dei più semplici compiti saccadici, una visita guidata visivamente compito passo orizzontale di 10 gradi. Molte modifiche del compito sono possibili come ad esempio l'inserimento di un gap temporale tra punto di fissazione scomparsa e periferico aspetto obiettivo 18-20 o una sovrapposizione 21 in cui sono presenti punto di fissazione e di destinazione laterali contemporaneamente. Paradigmi di questo tipo sono stati utilizzati al fine di comprendere siniziazione accadico e correlati neurali sono stati osservati nei campi visivi frontali 20,22 e collicolo superiore 23. Una discussione dettagliata dei vari usi di diversi paradigmi saccadici va oltre lo scopo di questo articolo; per una rassegna vedi 1.
Saccadometry ha applicazione larga di fuori del suo uso in DBS. percorsi saccadici coinvolgono più parti dei gangli della base e le modifiche saccadici sono un potenziale biomarcatore per qualsiasi condizione che danneggia o perturba la funzione di queste strutture. Saccadometry è per esempio stato studiato per l'uso in condizioni neurodegenerative compreso PD, il morbo di Huntington, demenza fronto-temporale, sclerosi laterale amiotrofica e lesioni testa e disturbi metabolici compreso encefalopatia epatica.
In conclusione, saccadometry è uno strumento quantitativo utile per sé, ma la combinazione con la stimolazione cerebrale profonda si apre una serie di experimenapprocci Tal che potrebbe gettare nuova luce sulla funzione cerebrale sia in salute e malattia.
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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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