Realización de tareas de comportamiento en sujetos con intracraneales Electrodos

Resumen

Los pacientes implantados con electrodos intracraneales proporcionan una oportunidad única para registrar los datos neurológicos de múltiples áreas del cerebro mientras el paciente lleva a cabo tareas de comportamiento. A continuación, presentamos un método de grabación de los pacientes implantados que pueden ser reproducibles en otras instituciones con acceso a esta población de pacientes.

Resumen

Los pacientes que tienen estéreo-electroencefalografía (SEEG) de electrodos, de cuadrícula o de profundidad subdural implantes de electrodos tienen una multitud de electrodos implantados en diferentes áreas de su cerebro para la localización de su foco epiléptico y áreas elocuentes. Después de la implantación, el paciente debe permanecer en el hospital hasta que se encuentre la zona patológica del cerebro y posiblemente reseca. Durante este tiempo, estos pacientes ofrecen una oportunidad única para la comunidad de investigación, ya que cualquier número de paradigmas de comportamiento puede llevar a cabo para descubrir la neuronal se correlaciona de que el comportamiento de guía. Aquí presentamos un método para registrar la actividad cerebral de los implantes intracraneales como sujetos realizan una tarea de comportamiento diseñado para evaluar la toma de decisiones y la codificación de recompensa. Todos los datos electrofisiológicos de los electrodos intracraneales se registran durante la tarea de comportamiento, lo que permite el examen de las muchas áreas del cerebro involucradas en una única función a escalas de tiempo relevantes para el comportamiento.Por otra parte, ya diferencia de los estudios en animales, los pacientes humanos pueden aprender de una amplia variedad de tareas de comportamiento de forma rápida, lo que permite la posibilidad de realizar más de una tarea en la misma materia o para los controles que realizan. A pesar de las muchas ventajas de esta técnica para la comprensión de la función del cerebro humano, también hay limitaciones metodológicas que discutimos, incluyendo factores ambientales, efectos analgésicos, las limitaciones de tiempo y las grabaciones de tejido enfermo. Este método puede ser implementado fácilmente por cualquier institución que lleva a cabo evaluaciones intracraneales; proporcionando la oportunidad de examinar directamente la función del cerebro humano durante el comportamiento.

Introducción

La epilepsia es uno de los trastornos cerebrales más comunes, que se caracteriza por convulsiones recurrentes crónicos resultantes de las descargas eléctricas excesivas de grupos de neuronas. La epilepsia afecta a unos 50 millones de personas en todo el mundo y aproximadamente el 40% de todas las personas con epilepsia tienen convulsiones intratables que no pueden ser controlados completamente por el tratamiento médico ^1. La cirugía puede resultar en estado libre de convulsiones si las áreas del cerebro responsables de la generación de las crisis (la zona epileptógena - EZ) se localizan y eliminan quirúrgicamente o desconectados. Con el fin de definir la ubicación anatómica de la EZ y su proximidad con las posibles áreas elocuentes corticales y subcorticales, un conjunto de herramientas no invasivas están disponibles: el análisis de la semiología convulsión, grabaciones electroencefalográficas-vídeo cuero cabelludo (ictales y grabaciones interictales), pruebas neuropsicológicas , la magnetoencefalografía (MEG) y la RM ^2. Cuando los datos no invasiva es insuficiente para precisely definir la ubicación de la EZ hipotético, cuando existe la sospecha de la participación temprana de la corteza elocuente y áreas subcorticales o cuando existe la posibilidad de que las convulsiones multifocales, monitorización invasiva crónica puede requerir ^3,4.

Los métodos de monitorización invasiva crónica para definir la ubicación y los límites de un EZ puede incluir rejillas subdurales y tiras, con electrodos colocados en la superficie del cerebro, y estéreo-electroencefalografía (SEEG), cuando varios electrodos profundos se colocan en el cerebro en un período de tres dimensional de la moda. Registros intracraneales subdurales se informó inicialmente en 1939 cuando Penfield y sus colegas utilizaron electrodos de contacto únicos epidural en un paciente con una vieja izquierda fractura temporal-parietal y cuya neumoencefalografía divulgada atrofia cerebral difusa ^5. Posteriormente, el uso de matrices de rejilla subdurales se hizo más popular después de múltiples publicaciones durante la década de 1980 demostraron suseguridad y eficacia ^6. El método SEEG fue desarrollado y popularizado en Francia por Jean Tailarach y Jean Bancaud durante los años 50 y se ha utilizado sobre todo en Francia e Italia como el método de elección para el mapeo invasiva en la epilepsia focal refractaria ^7-9.

El principio de SEEG se basa en correlaciones anatomo-electro-clínicos, que toma como principio fundamental la organización espacio-temporal de 3 dimensiones de la descarga epiléptica en el cerebro, en correlación con la semiología convulsión. La estrategia de implantación se individualiza, con la colocación de electrodos en base a una hipótesis de preimplantación que tenga en cuenta la organización de base de la actividad epileptiforme y la red epiléptica hipotética implicadas en la propagación de las crisis. Según varios informes norteamericanos y europeos recientes, metodología SEEG permite grabaciones precisas de las estructuras corticales y subcorticales profundas, lo contiguo múltiplebes, y exploraciones bilaterales y evitar la necesidad de grandes craneotomías ^10-15. Después, se toman imágenes postoperatorias para obtener la posición anatómica exacta de los electrodos implantados. Posteriormente, un período de monitoreo se inicia en el que los pacientes permanecen en el hospital durante un período de 1 a 4 semanas con el fin de registrar las actividades interictales y ictales de los electrodos implantados. Este período de monitoreo es un momento oportuno para estudiar la función del cerebro usando análisis SEEG relacionados con el evento, ya que no hay riesgo añadido y el paciente por lo general ve el estudio de investigación como un respiro desde el periodo de monitoreo mundano. Las grabaciones recogidas de electrodos intracraneales no sólo son vitales para mejorar la evaluación y el cuidado de los pacientes con epilepsia, pero, además, ofrecen la oportunidad excepcional para estudiar la actividad cerebral humana durante los paradigmas de comportamiento.

Varios investigadores ya han dado cuenta de la oportunidad de estudiar las grabaciones invasoras delos pacientes con epilepsia. Hill et al. Informaron sobre la metodología para la grabación de señales electrocorticográfica (ECOG) de los pacientes para el mapeo cortical funcional ^16. Grabaciones ECoG también han proporcionado información al acoplamiento del lenguaje motor ^17. Los pacientes con electrodos profundos implantados han realizado tareas de navegación para estudiar las oscilaciones cerebrales en la memoria, el aprendizaje y el movimiento ^{18 19.} Grabaciones de electrodos de profundidad también se utilizaron para estudiar los paradigmas con resolución temporal de otro modo inalcanzables, tales como la actividad del hipocampo evocado ^20, la actividad neuronal en la red de modo por defecto ^21, y el curso temporal del procesamiento emocional ^22. Hudry et al estudiaron pacientes con epilepsia del lóbulo temporal que tenía electrodos implantados en su SEEG amígdala de los estímulos olfativos a corto plazo a juego ^23. Otro grupo ha estudiado movimientos de las extremidades simples, tales como la flexión de la mano o el movimiento unilateral de la mano o pie en Brai saludablen sitios de pacientes epilépticos con implantado SEEG ^24,25.

Los estudios descritos anteriormente son una pequeña muestra de una colección muy diversa de la literatura relevante. Existe un potencial insuperable para aprender y entender cómo funciona el cerebro humano utilizando una combinación de tareas conductuales y registros intracraneales. Mientras que hay otros métodos para lograr este objetivo, registros intracraneales poseen varios beneficios, incluyendo la resolución temporal y espacial de alta, así como el acceso a las estructuras más profundas. Los autores pretenden describir la metodología general para la grabación de los pacientes con electrodos intracraneales durante las tareas de comportamiento. Sin embargo, hay varios factores de disuasión y barreras para que terminen con éxito la investigación clínica en los pacientes que reciben atención. Limitaciones, efectos de confusión, y la importancia de esta investigación también serán identificados y explorados.

Protocolo

Todas las tareas se realizaron de acuerdo a un protocolo aprobado presentado a la Junta de Revisión Institucional (IRB) de la Cleveland Clinic Foundation. Un proceso de consentimiento informado se llevó a cabo con cada paciente antes de todas las actividades de investigación. En este ejemplo, un sujeto que responde al criterio estudio que ha tenido estéreo-electroencefalografía (SEEG) electrodos implantados para la incautación se elige. El proyecto fue discutido con el tema y han dado su consentimiento para participar.

1. de inscripción del paciente

1. Evaluar a los pacientes con epilepsia refractaria en consideración para la implantación de electrodos intracraneales. Si el paciente es un buen candidato para la cirugía invasiva, analizar el paciente de MRI, PET y MEG junto con la patología de convulsiones con el fin de optimizar la colocación de los electrodos. Un equipo clínico lleva a cabo todas las evaluaciones y no se toman decisiones con fines de investigación. .
2. Identificar a los pacientes elegibles para el estudio subsequent a la evaluación de la implantación y verificar los pacientes por el protocolo aprobado por el IRB basado en los criterios de inclusión / exclusión.
   NOTA: Es en el mejor interés del paciente para incluir sujetos con un aura en los criterios de inclusión. Los pacientes con auras son capaces de notificar a los investigadores que están a punto de tener un ataque; dando al paciente los investigadores y el momento de tomar las precauciones necesarias (pulsando la alarma incautación de notificar al personal clínico y tirando de todo el equipo fuera del camino). Sin embargo, si los sujetos son reclutados que no tienen un aura, asegúrese de que los dispositivos de entrada de los pacientes se pueden quitar fácilmente de la zona del paciente y que el personal está al tanto de los equipos de investigación y el protocolo.
3. Obtener el consentimiento informado antes de cualquier actividad de investigación, de conformidad con el IRB. Durante el consentimiento informado, explicar la investigación, haciendo hincapié en que la participación es estrictamente voluntaria y afectará de ninguna manera a los pacientes la atención clínica. En la mayoría de los casos allí is ningún beneficio directo para el paciente y su voluntad de participar es altruista.
4. Mantener el respeto por los derechos del paciente y la privacidad en todo momento. Recuerde a los pacientes de que su información se mantendrá anónima y confidencial, y que pueden dejar de participar en el estudio en cualquier momento bajo ninguna consecuencia.
5. Tener el signo paciente y salí con el consentimiento informado si él o ella entiende y está de acuerdo en participar en el estudio. Deje una copia se queda con el paciente a revisión; en caso de que tenga alguna pregunta o preocupación animar a los pacientes a comunicarse con la PI.

2. Comportamiento del sistema Set-up

1. Antes de llevar el equipo a la habitación, asegúrese de que hay espacio suficiente en la habitación del paciente, así como el acceso a las salidas necesarias (2).
2. Compruebe que todos los equipos y cables están listos para acelerar la puesta en marcha. El sistema conductual incluye un fármaco aprobado por el brazo robótico (que permite al sujeto contROL un cursor durante la tarea), un ordenador portátil para controlar el programa de comportamiento, un monitor para la presentación de los estímulos de tareas, y un sistema de adquisición de datos para almacenar los datos electrofisiológicos y de comportamiento.
   NOTA: Hacer las modificaciones necesarias para cumplir con las necesidades específicas de la investigación de uno. Por ejemplo, utilizar una caja de botones de la interfaz de paciente en lugar del brazo robótico.
3. Si el paciente no está actualmente posicionada de una manera adecuada para completar la tarea, ayudar al paciente a una silla reclinable (o cama) con los brazos, en caso de tener una convulsión.
   NOTA: Es una buena idea para discutir el diseño del estudio, el equipo, etc, con todos los miembros de la unidad de seguimiento para informarles de lo que está pasando, cómo el grupo se interactúa con los pacientes, y cualquier posible problema que pueda surgir.
4. Cuando el paciente está listo, que el sistema de comportamiento en la sala y comenzar a arrancar el sistema de comportamiento y el brazo robótico.
5. Conecte el marke evento digitalessalida r desde el ordenador del comportamiento de los canales de CC del sistema de adquisición de electrofisiológico con el fin de bloquear las señales de tiempo SEEG grabadas con marcadores de eventos conductuales.
   NOTA: En este centro hay un sistema de adquisición de electrofisiológico separada designada para fines de investigación, lo que no interfieren con el sistema de adquisición de clínica. Sin embargo, es posible utilizar el sistema de adquisición de clínica, trabajando con el personal apropiado. Deben realizarse todos los esfuerzos para no interrumpir la adquisición clínica.
6. Calibrar el brazo robótico y la posición de tal manera que el rango de movimiento es cómodo para el paciente. Si se utiliza otro dispositivo de interfaz, asegúrese de que el equipo está funcionando correctamente y está en una posición cómoda para el sujeto que desea utilizar.
7. Durante el uso del brazo robótico, asegúrese de que los botones de parada de emergencia son fácilmente accesibles por los investigadores a lo largo de la tarea conductual. En el caso de un ataque, el botón de parada de emergencia espresionado y el equipo se apartó del paciente, de manera que no dañan a sí mismos. Además, no utilizamos las cintas de velcro que vienen con el sistema de robot para facilitar la retirada del paciente en caso de que ocurra un ataque.
   NOTA: En este ejemplo, el puerto paralelo de la plataforma comportamiento está conectado al puerto de entrada digital del sistema de adquisición mediante un cable de puerto paralelo. Señales analógicas adicionales, tales como el x & y posición del brazo robótico se graban simultáneamente.

3. Comportamiento de tareas

1. Explicar la tarea para el paciente después de la finalización de la plataforma de configurar y calibración del dispositivo de interfaz.
2. Utilice una tarea de comportamiento similar al juego de cartas de los niños de la "guerra". Pida al paciente que hacer apuestas sobre si su tarjeta es mayor que la tarjeta de la computadora. La elección de la apuesta se basa en la percepción del valor relativo de su tarjeta de los pacientes. Simplificar el tpedir para su posterior análisis, utilizando sólo cartas del mismo palo y limitar la cubierta para los 2, 4, 6, 8, y 10 cartas numeradas.
3. Mostrar un taco de fijación en la pantalla durante 350 ms. Asegúrese de que el paciente mantiene el cursor sobre la marca de fijación para iniciar la tarea.
4. Mostrar el estímulo para 1000 ms. Permita que el paciente vea su tarjeta con la tarjeta de la computadora al lado de él boca abajo.
5. Tras la desaparición tarjetas, mostrar un go-cue (<5.000 ms) se presentan dos opciones, pedir al paciente que apostar $ 5 o $ 20, basado en su tarjeta. Pida al paciente que coloque la apuesta por mover el cursor utilizando el brazo robótico, más su apuesta elegida. Selección aleatoria de la posición de apuesta de ensayo a ensayo para garantizar que no sesgo basado en la posición.
6. Después de seleccionar la apuesta, notar un 250 - 500 ms de retardo (pantalla en blanco), seguido por la revelación de la tarjeta de la computadora (1000 - 1250 ms). Observar el resultado (1.000 ms), si el ensayo fue una victoria, perder, o dibujar ycuánto se ha ganado o perdido.
7. Permita que el paciente practique hasta que están seguros de su rendimiento y no tienen preguntas.

4. Adquisición de Datos

1. Grabe los datos cuando el paciente está listo y verificar que se seleccionan apropiadamente la configuración de la investigación (o clínica) sistema de adquisición.
2. Apague las luces de la habitación y TV para mantener el ruido de fondo a un mínimo durante la grabación. Además, se pide al paciente que se abstenga de conductas como tocando su pie, hablando o moviendo sus piernas.
3. Comience la tarea y registrar al paciente la realización de la tarea. Pida al sujeto para realizar la tarea durante 30 minutos. La velocidad de muestreo del sistema de brazo robótico es 1 KHz, y la de sistema de grabación SEEG es 2 KHz.
   NOTA: Esta duración puede ser diferente para otros paradigmas.

Análisis 5. Datos

1. En primer lugar, de-identificar los datos SEEG grabadas para asegurar que informa del pacienteción es confidencial y que sus / sus datos se presentan de forma anónima.
2. Obtener las coordenadas de las localizaciones de los electrodos de la MRI CT preoperatorio y postoperatorio.
3. Alinear las grabaciones neurofisiológicos con las marcas de tiempo digitales de los intereses de la tarea conductual.
4. Aplicar métodos de análisis de señales para analizar la actividad cerebral depende evento modulación.
   NOTA: En este estudio, se calculó la densidad espectral de potencia (PSD) del evento relacionado con señales SEEG usando Chronux multitaper caja de herramientas ^26,27. Cada dato ensayo fue alineado con respecto al evento relevante (tiempo cero), y el PSD calculado se normalizó en cada contenedor de frecuencia con respecto a la línea de base PSD.

Resultados

En estos resultados se presenta el análisis de los datos SEEG desde el sistema límbico capturado en un sujeto que juega el Grupo de Guerra. Podemos demostrar que los diversos aspectos de la Tarea Guerra evocan banda gamma significativa (40 - 150 Hz) de modulación en el sistema límbico (Figura 1). Como se ve, en la corteza visual, la presentación de un objeto en la pantalla da lugar una latencia rápida (~ 200 ms) respuesta de banda ancha independientemente de la contingencia tarea. Además, no pare...

Discusión

Aquí hemos presentado un método para realizar estudios electrofisiológicos intracraneales en los seres humanos que se dediquen a la tarea de comportamiento. Esta metodología y sus permutaciones simples son importantes para el estudio del movimiento humano y la cognición. Si bien existe inherentemente ventajas y desventajas de cualquier técnica, la grabación de electrodos intracraneales tiene ventajas sobre otras técnicas electrofisiológicas y de imagen. Dos de las principales ventajas son la capacidad de recoge...

Materiales

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