أداء المهام السلوكية في المواد الدراسية داخل الجمجمة مع أقطاب

Summary

مرضى زرع أقطاب كهربائية داخل القحف مع توفر فرصة فريدة لتسجيل البيانات العصبية من مناطق متعددة من الدماغ في حين أن المريض بأداء المهام السلوكية. هنا، نقدم طريقة تسجيل من مرضى زرع التي يمكن أن تكون قابلة للتكرار في المؤسسات الأخرى من الوصول إلى هذه الفئة من السكان المريض.

Abstract

المرضى الذين يعانون من ستيريو المخ (SEEG) الكهربائي، شبكة تحت الجافية أو يزرع عمق القطب لديهم العديد من الأقطاب الكهربائية المزروعة في مناطق مختلفة من الدماغ من أجل توطين التركيز ضبطها والمناطق بليغة. بعد الزرع، يجب أن يبقى المريض في المستشفى حتى يتم العثور على منطقة المرضية من الدماغ وربما مقطوعة. خلال هذا الوقت، هؤلاء المرضى فرصة فريدة للمجتمع البحث لأن أي عدد من النماذج السلوكية لا يمكن أن يؤديها للكشف عن العصبية يرتبط هذا التصرف دليل. نحن هنا نقدم وسيلة لتسجيل نشاط المخ داخل الجمجمة من يزرع كمواضيع تنفيذ مهمة السلوكية المصممة لتقييم عملية صنع القرار وترميز مكافأة. وتسجل جميع البيانات من الأقطاب الكهربية داخل الجمجمة أثناء مهمة السلوكية، مما يسمح لفحص العديد من مناطق الدماغ تشارك في وظيفة واحدة في النطاقات الزمنية ذات الصلة السلوك.وعلاوة على ذلك، وعلى عكس الدراسات على الحيوانات، المرضى من البشر يمكن أن تتعلم مجموعة واسعة من المهام السلوكية بسرعة، مما يسمح للالقدرة على أداء أكثر من مهمة واحدة في نفس الموضوع أو لضوابط الأداء. على الرغم من العديد من المزايا من هذه التقنية لفهم وظيفة الدماغ البشري، وهناك أيضا القيود المنهجية التي نناقش، بما في ذلك العوامل البيئية وتأثيرات مسكنة، ضيق الوقت والتسجيلات من الأنسجة المريضة. هذه الطريقة يمكن تنفيذها بسهولة من قبل أي مؤسسة التي تنفذ عمليات التقييم داخل الجمجمة. إتاحة الفرصة لدراسة وظيفة الدماغ البشري مباشرة خلال السلوك.

Introduction

الصرع هو واحد من اضطرابات الدماغ الأكثر شيوعا، وتتميز نوبات مزمنة المتكررة الناتجة عن شحنات كهربائية زائدة من مجموعات من الخلايا العصبية. الصرع يصيب حوالي 50 مليون شخص في العالم وحوالي 40٪ من جميع الأفراد المصابين بالصرع لديهم نوبات المستعصية التي لا يمكن السيطرة عليها تماما من العلاج الطبي ^1. الجراحة قد يؤدي إلى حالة الخلو من الاستيلاء إذا كانت مناطق الدماغ المسؤولة عن توليد المضبوطات (المنطقة المولدة للصرع - EZ) يتم ترجمة وإزالتها جراحيا أو قطع الاتصال. من أجل تحديد الموقع التشريحي للEZ وقربها مع المناطق القشرية وتحت القشرية بليغة الممكنة، هي مجموعة من الأدوات غير الغازية المتاحة: تحليل علم الأعراض الاستيلاء والتسجيلات الكهربي الفيديو فروة الرأس (نشبي والتسجيلات النشبات)، اختبار العصبية ، الدماغ المغناطيسي (MEG) والتصوير بالرنين المغناطيسي ^2. عندما هو البيانات موسع كافية لpreciselذ تحديد موقع EZ افتراضي، عندما يكون هناك اشتباه في تورطهم في وقت مبكر من بليغ القشرية وتحت القشرية المناطق أو عندما يكون هناك احتمال لنوبات متعددة التنسيق والرصد الغازية المزمن قد تكون هناك حاجة ^3،4.

أساليب الرصد الغازية المزمن لتحديد موقع وحدود وEZ قد تشمل شبكات تحت الجافية والشرائط، مع أقطاب توضع على سطح الدماغ، وستيريو المخ (SEEG)، عندما يتم وضع أقطاب متعددة في عمق الدماغ في ثلاثة الأزياء الأبعاد. ولم يبلغ عن والتسجيلات داخل الجمجمة تحت الجافية في البداية في عام 1939 عندما بنفيلد وزملاؤه تستخدم أقطاب اتصال واحدة فوق الجافية في المريض مع كسر الأيسر الزمني-الجدارية القديمة والذي كشف الضمور الدماغي المنتشر ⁵ تصوير الدماغ المحقون بالغاز. بعد ذلك، أصبح استخدام صفائف الشبكة تحت الجافية أكثر شعبية بعد منشورات متعددة خلال عام 1980 أظهرت لهمسلامة وفعالية ^6. تم تطوير طريقة SEEG وأصبحت شعبية في فرنسا جان Tailarach وجان Bancaud خلال القرن 50، وقد تستخدم في الغالب في فرنسا وإيطاليا كما أن طريقة الاختيار لرسم الخرائط الغازية في الصرع البؤري الحرارية ^7-9.

ويستند مبدأ SEEG على الارتباطات anatomo الكهربائية السريرية، والتي تأخذ باعتبارها المبدأ الرئيسي للمنظمة المكانية والزمانية 3 الأبعاد لتفريغ صرعي داخل الدماغ في العلاقة مع مصادرة علم الأعراض. وفردية استراتيجية الزرع، مع وضع قطب كهربائي على أساس فرضية سابق للانغراس أن تأخذ بعين الاعتبار المنظمة الرئيسية لنشاط صرعي الصرع وشبكة افتراضية المشاركة في نشر المضبوطات. وفقا لعدة تقارير أمريكا الشمالية والأوروبية الأخيرة، منهجية SEEG تمكن التسجيلات دقيقة من البنى القشرية وتحت القشرية العميقة، لو متعددة غير متجاورةبيز، والاستكشافات الثنائية مع تجنب الحاجة إلى craniotomies كبير ^10-15. بعد ذلك، يتم أخذ الصور بعد العملية الجراحية للحصول على موقف التشريحي الدقيق للأقطاب كهربائية مزروعة. وفي وقت لاحق، وهو يبدأ فترة الرصد التي يبقى المريض في المستشفى لفترة من 1 إلى 4 أسابيع من أجل تسجيل الأنشطة النشبات ونشبي من الأقطاب الكهربائية المزروعة. هذه فترة الرصد هو الوقت المناسب لدراسة وظيفة الدماغ باستخدام ذات الصلة بالحدث تحليل SEEG، حيث لا يوجد خطر المضافة والمريض ينظر عادة دراسة بحثية كما مهلة ترحيب من فترة الرصد الدنيوية. حصل على تسجيلات من الأقطاب الكهربائية داخل الجمجمة ليست حيوية فقط لتحسين التقييم والرعاية لمرضى الصرع، ولكن بالإضافة إلى ذلك توفر فرصة استثنائية لدراسة نشاط الدماغ البشري خلال النماذج السلوكية.

وقد أدرك العديد من الباحثين بالفعل الفرصة لدراسة تسجيلات الغازية منمرضى الصرع. هيل وآخرون تقريرا عن منهجية لتسجيل electrocorticographic (ECoG) إشارات من المرضى لرسم الخرائط القشرية وظيفي ^16. وقد وفرت التسجيلات ECoG أيضا البصيرة لمحرك باللغة اقتران ^17. مرضى زرع أقطاب عمق وتنفيذ المهام الملاحية لدراسة التذبذبات الدماغ في الذاكرة والتعلم ¹⁸ و ¹⁹ حركة. استخدمت تسجيلات القطب عمق أيضا إلى دراسة نماذج مع القرار الزماني بعيد المنال على خلاف ذلك مثل الحصين أثار النشاط ²⁰ والنشاط العصبي في الشبكة الافتراضية وضع ^21، وبالطبع الزمني لمعالجة العاطفي ^22. درس Hudry وآخرون مرضى الصرع الصدغي الفص الذي كان أقطاب SEEG زرعها في اللوزة من أجل محفزات حاسة الشم المدى القصير مطابقة ^23. وقد درست مجموعة أخرى حركات أطرافهم بسيطة مثل الانحناء جهة أو حركة أحادية الجانب من اليد أو القدم في المخ صحيمواقع ن من مرضى الصرع مع زرع SEEG ^24،25.

الدراسات المذكورة أعلاه هي عينة صغيرة من مجموعة متنوعة جدا من المؤلفات ذات الصلة. يوجد إمكانات لا يمكن التغلب عليها لمعرفة وفهم كيفية عمل الدماغ البشري باستخدام مزيج من المهام السلوكية والتسجيلات داخل الجمجمة. في حين أن هناك وسائل أخرى لتحقيق هذا الهدف، والتسجيلات داخل الجمجمة تمتلك العديد من المزايا بما في ذلك القرار الزماني والمكاني عالية وكذلك الوصول إلى البنى العميقة. وتهدف المؤلفين لوصف المنهجية العامة لتسجيل من المرضى الذين يعانون من الأقطاب الكهربائية داخل الجمجمة خلال المهام السلوكية. ومع ذلك، هناك العديد من الحواجز والروادع لإكمال بنجاح البحوث السريرية في المرضى الذين يتلقون الرعاية. كما سيتم تحديد القيود، والتأثيرات المربكة، وأهمية هذا البحث واستكشاف.

Protocol

تم تنفيذ جميع المهام وفقا لبروتوكول افق المقدمة إلى مجلس المراجعة المؤسسية (IRB) من مؤسسة كليفلاند كلينيك. وقد أجريت عملية الموافقة المسبقة مع كل مريض قبل جميع الأنشطة البحثية. في هذا المثال، وهو الموضوع الذي يلبي معيار الدراسة التي تمت زيارتها ستيريو المخ (SEEG) زرع أقطاب كهربائية للاستيلاء يتم اختيار. تمت مناقشة المشروع مع الموضوع وأنها قد وافقت على المشاركة.

1. انتساب المريض

1. تقييم المرضى الذين يعانون من الصرع الحرارية في النظر لزرع قطب كهربائي داخل الجمجمة. إذا كان المريض هو مرشح جيد لعملية جراحية الغازية، وتحليل المريض MRI، PET وMEG جنبا إلى جنب مع علم الأمراض الاستيلاء من أجل تحسين وضع الأقطاب. فريق السريرية ينفذ جميع عمليات التقييم ويتم إجراء أية قرارات لأغراض البحث. .
2. تحديد المرضى المؤهلين لدراسة subsequeالإقليم الشمالي للتقييم لزرع والتحقق من مريض في البروتوكول وافق الاتحاد الدولي للرجبي على أساس معايير الاشتمال / الاستبعاد.
   ملاحظة: إنه في مصلحة المريض لتشمل الموضوعات مع هالة في معايير الاشتمال. المرضى الذين يعانون من الهالات قادرون على إخطار الباحثين أنهم على وشك أن يكون لها الاستيلاء. إعطاء الباحثين والمريض الوقت لاتخاذ الاحتياطات اللازمة (الضغط على إنذار الاستيلاء إخطار الكادر الطبي وسحب جميع المعدات من الطريق). ومع ذلك، إذا يتم تجنيد الموضوعات التي لم يكن لديك هالة، تأكد من أن أجهزة الإدخال المرضى يمكن إزالتها بسهولة من منطقة المرضى والموظفين أن يدرك معدات البحث والبروتوكول.
3. الحصول على الموافقة المسبقة عن علم على أي أنشطة البحث وفقا لIRB. خلال الموافقة المسبقة، وشرح الأبحاث، مؤكدا أن المشاركة اختيارية وسوف في أي وسيلة تؤثر على مرضى الرعاية السريرية. في معظم الحالات هناك طق أي فائدة مباشرة للمريض، واستعدادهم للمشاركة هو الإيثار.
4. الحفاظ على احترام حقوق المريض والخصوصية في جميع الأوقات. تذكير المرضى بأن معلوماتهم سيبقى مجهول وسرية وأنها قد تتوقف عن المشاركة في الدراسة في أي وقت تحت أي نتيجة.
5. لدينا علامة بالصبر وتأريخ الموافقة المسبقة إذا يفهمها ويوافق على المشاركة في الدراسة. تبقى ترك نسخة واحدة مع المريض لمراجعة؛ يجب أن يكون لديك أي أسئلة أو استفسارات تشجيع المرضى على الاتصال بي.

2. سلوك النظام تعيين المتابعة

1. قبل جلب المعدات إلى الغرفة، ضمان وجود مساحة كافية في غرفة المريض، وكذلك الوصول إلى منافذ اللازمة (2).
2. تأكد من أن جميع المعدات والأسلاك جاهزة للإسراع المجموعة لأعلى. ويشمل النظام السلوكي وافقت ادارة الاغذية والعقاقير الذراع الروبوتية (الذي يسمح الموضوع إلى تابعرول مؤشر خلال مهمة)، جهاز كمبيوتر محمول للتحكم في البرنامج السلوكي، ورصد لتقديم المحفزات المهمة، ونظام الحصول على البيانات لتخزين البيانات الكهربية والسلوكية.
   ملاحظة: تأكد التعديلات اللازمة لتلبية الاحتياجات المحددة للبحوث واحد. على سبيل المثال، استخدم مربع زر للواجهة المرضى بدلا من الذراع الروبوتية.
3. إذا لم يتم وضع المريض في الوقت الحاضر بطريقة مناسبة لإكمال المهمة، ومساعدة المريض على كرسي مستلق (أو السرير) بالسلاح، ينبغي أن يكون لها الاستيلاء.
   ملاحظة: انها فكرة جيدة لمناقشة تصميم الدراسة، والمعدات، وما إلى ذلك مع جميع أعضاء وحدة الرصد لإطلاعهم على ما يجري، وكيف أن مجموعة سيتم التفاعل مع المرضى، وأية قضايا المحتملة التي قد تنشأ.
4. عندما يكون المريض جاهز، وجلب النظام السلوكي الى الغرفة ويبدأ تشغيل النظام السلوكي والذراع الروبوتية.
5. اتصال من السوق الحدث الرقميالناتج ص من الكمبيوتر السلوكي للقنوات DC من نظام الحصول الكهربية لوقت قفل إشارات SEEG سجلت مع علامات الحدث السلوكية.
   ملاحظة: في هذا المركز هناك نظام الحصول الكهربية منفصلة مخصصة لأغراض البحث، والتي لا تتعارض مع نظام الحصول السريري. ومع ذلك، فمن الممكن استخدام نظام الحصول السريري من خلال العمل مع الموظفين المناسبين. وينبغي بذل كل الجهود لا لعرقلة اكتساب السريري.
6. معايرة الذراع الروبوتية وضعه بحيث مجموعة من الاقتراح هو مريح للمريض. في حالة استخدام جهاز واجهة أخرى، تأكد من أن المعدات تعمل بشكل صحيح ويتم وضع مريح للموضوع للاستخدام.
7. أثناء استخدام الذراع الروبوتية، تأكد من أن الأزرار التوقف في حالات الطوارئ يمكن الوصول إليها بسهولة من قبل الباحثين في جميع أنحاء المهمة السلوكية. في حالة الاستيلاء، على زر التوقف في حالات الطوارئ هوضغط ويتم سحب المعدات بعيدا عن المريض بحيث لا تضر نفسها. بالإضافة إلى ذلك، نحن لا نستخدم الأشرطة الفيلكرو التي تأتي مع نظام الروبوت لتسهيل إزالة من المريض في حالة حدوث النوبة.
   ملاحظة: في هذا المثال، يتم توصيل المنفذ المتوازي للتلاعب السلوك إلى منفذ الإدخال الرقمي للنظام حيازة باستخدام كابل المنفذ المتوازي. يتم تسجيل الإشارات التناظرية إضافية مثل X و Y الموقف من الذراع الروبوتية في وقت واحد.

3. السلوكية المهمة

1. شرح مهمة للمريض بعد الانتهاء من تلاعب إعداد ومعايرة واجهة الجهاز.
2. استخدام مهمة السلوكية مماثلة لعبة بطاقة الأطفال "الحرب". نطلب من المريض لجعل الرهانات حول ما إذا كان بطاقاتهم أكبر من بطاقة الكمبيوتر. ويستند اختيار الرهان على تصور المرضى من القيمة النسبية لبطاقاتهم. تبسيط رطلب تحليل اللاحقة، وذلك فقط باستخدام بطاقات بدلة واحدة والحد من سطح السفينة إلى 2، 4، 6، 8، و 10 بطاقات مرقمة.
3. تظهر جديلة تثبيت على الشاشة لمدة 350 مللي ثانية. ضمان يحمل المريض المؤشر فوق علامة تثبيت لبدء المهمة.
4. عرض حافزا لل1،000 ميللي ثانية. السماح للمريض لمعرفة بطاقة مع بطاقة الكمبيوتر بجانب وجهه لأسفل.
5. بعد اختفاء بطاقات، تظهر GO-جديلة (<5،000 ميللي ثانية) عرض خيارين، يسأل المريض للمراهنة إما 5 دولارات أو 20 $، بناء على بطاقاتهم. نطلب من المريض أن يضع الرهان عن طريق تحريك المؤشر باستخدام الذراع الآلية، على الرهان الذي اختاروه. بطريقة عشوائية الموقف الرهان من المحاكمة إلى محاكمة لضمان عدم تحيز على أساس الموقف.
6. بعد أن تم اختيار الرهان، لاحظت وجود 250 - 500 ميللي ثانية تأخير (شاشة فارغة)، تليها الكشف عن بطاقة الكمبيوتر (1،000 - 1،250 ميللي ثانية). مراقبة نتائج (1،000 ميللي ثانية)، ما إذا كانت المحاكمة الفوز، وتفقد، أو رسم وكم كان فاز أو خسر.
7. السماح للمريض لممارسة حتى انهم واثقون في أدائها وليس لها أي أسئلة.

4. الحصول على البيانات

1. تسجيل البيانات عندما يكون المريض جاهز وتحقق من أن إعدادات على البحث (أو السريري) نظام الحصول ويتم اختيار مناسب.
2. إطفاء الأنوار الغرفة والتلفزيون للحفاظ على الضوضاء في الخلفية إلى أدنى حد ممكن أثناء التسجيل. بالإضافة إلى ذلك، يطلب من المريض الامتناع عن السلوكيات مثل التنصت على أقدامهم، والحديث أو تهتز أرجلهم.
3. بدء مهمة وتسجيل المريض تنفيذ المهمة. وطرح هذا الموضوع لتنفيذ المهمة لمدة 30 دقيقة. معدل أخذ العينات من نظام الذراع الروبوتية هو 1 كيلو هرتز، وذلك من نظام تسجيل SEEG هو 2 كيلو هيرتز.
   ملاحظة: قد تكون هذه المدة مختلفا عن النماذج الأخرى.

تحليل البيانات 5.

1. أولا، دي التعرف على البيانات المسجلة SEEG لضمان انفورما المريضنشوئها تبقى سرية والتي تم تسليمها / بياناته مجهولة.
2. الحصول على إحداثيات المواقع الكهربائي من التصوير بالرنين المغناطيسي والتصوير المقطعي وبعد الجراحة قبل الجراحة.
3. محاذاة التسجيلات العصبية مع الطوابع الزمنية الرقمية المصالح من المهمة السلوكية.
4. تطبيق أساليب التحليل إشارة لتحليل الحدث يعتمد نشاط الدماغ تعديل.
   ملاحظة: في هذه الدراسة، تم حساب كثافة القدرة الطيفية (PSD) من الحدث إشارات SEEG المتعلقة باستخدام Chronux multitaper الأدوات ^26،27. تم محاذاة كل البيانات محاكمة فيما يتعلق الحدث ذات الصلة (الساعة صفر)، وتطبيع PSD المحسوبة في كل تردد بن فيما يتعلق PSD الأساس.

النتائج

في هذه النتائج نقدم تحليل البيانات SEEG من الجهاز الحوفي المأسورة في موضوع واحد لعب المهام الحرب. يمكننا إثبات أن مختلف جوانب العمل الهامة الحرب تثير الفرقة غاما (40-150 هرتز) تعديل في الجهاز الحوفي (الشكل 1). كما رأينا، في القشرة البصرية، عرض كائن على نتائج الشاشة...

Discussion

نحن هنا قدمت طريقة لإجراء دراسات الكهربية داخل الجمجمة في البشر كما يخوضوا في مهمة السلوكية. هذه المنهجية والتباديل بسيطة في مهمة لدراسة حركة الإنسان والإدراك. بينما يوجد بطبيعتها مزايا وعيوب أي تقنية، تسجيل من أقطاب داخل الجمجمة لديه مزايا أكثر من غيرها من تقنيات ا...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
InMotion ARM	Interactive Motion Technologies	InMotion Arm	http://interactive-motion.com/inmotion-arm-the-new-standard-of-care/ Equipment our lab used, can use other equipment to collect data
MATLAB	Mathworks Inc	MATLAB	http://www.mathworks.com/ Need version r2007b or higher to run Monkeylogic
Data Acquisition Toolbox	Mathworks Inc	Data Acquisition Toolbox	http://www.mathworks.com/products/daq/ Must have to run Monkeylogic
Image Processing Toolbox	Mathworks Inc	Image Processing Toolbox	http://www.mathworks.com/products/image/ Must have to run Monkeylogic
Monkeylogic	Wael Asaad and David Freedman	Monkeylogic	http://www.brown.edu/Research/monkeylogic/ Free download, must have MATLAB to run
Chronux	Medametrics, LLC	Data Processing Toolbox	http://www.chronux.org/
Brainstorm		MEG/EEG Analysis Application	http://neuroimage.usc.edu/brainstorm/
Laptop	Dell	Latitude E5530	http://www.dell.com/us/business/p/latitude-e5530/pd?ST=dell%20latitude%20e5530&dgc=ST&cid=263756&lid=4781504&acd=12309152537461010
NI Card	National Instruments	NI USB-6008	http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/201986 12-Bit, 10 kS/sec Low-Cost Multifunction DAQ