Exécution de tâches comportementales chez des sujets atteints intracrâniennes électrodes

Résumé

Les patients implantés avec des électrodes intracrâniennes offrent une occasion unique pour enregistrer les données neurologiques de multiples zones du cerveau lorsque le patient effectue des tâches comportementales. Ici, nous présentons une méthode d'enregistrement des patients implantés qui peuvent être reproductible à d'autres institutions ayant accès à cette population de patients.

Résumé

Les patients ayant stéréo-électro-encéphalographie (SEEG) électrodes, grille sous-dural ou profondeur implants d'électrodes ont une multitude d'électrodes implantées dans différentes zones de leur cerveau pour la localisation de leur mise au point de saisie et zones éloquentes. Après l'implantation, le patient doit rester à l'hôpital jusqu'à ce que la zone pathologique du cerveau se trouve et éventuellement résection. Pendant ce temps, ces patients offrent une occasion unique à la communauté de la recherche, car un certain nombre de paradigmes comportementaux peut être effectuée à découvrir la corrélation de neurones que le comportement de guidage. Nous présentons ici une méthode pour enregistrer l'activité cérébrale des implants intracrâniens en tant que sujets d'exécuter une tâche comportementale visant à évaluer la prise de décision et l'encodage de récompense. Toutes les données électrophysiologiques des électrodes intracrâniennes sont enregistrées au cours de la tâche comportementale, permettant l'examen des nombreuses zones du cerveau impliquées dans une seule fonction à des échelles de temps pertinentes pour le comportement.En outre, et contrairement aux études animales, des patients humains peuvent apprendre une grande variété de tâches comportementales rapidement, permettant à la capacité d'exécuter plus d'une tâche dans le même sujet ou des contrôles de la scène. Malgré les nombreux avantages de cette technique pour comprendre le fonctionnement du cerveau humain, il ya aussi des limites méthodologiques que nous discutons, y compris les facteurs environnementaux, des effets analgésiques, des contraintes de temps et les enregistrements de tissus malades. Cette méthode peut être facilement mis en œuvre par une institution qui procède à des évaluations intracrâniennes; fournir l'occasion d'examiner directement le fonctionnement du cerveau humain au cours de comportement.

Introduction

L'épilepsie est une des maladies cérébrales les plus fréquentes, caractérisée par des crises chroniques récurrentes résultant de décharges électriques excessives de groupes de neurones. L'épilepsie touche environ 50 millions de personnes dans le monde et environ 40% de toutes les personnes atteintes d'épilepsie ont une épilepsie réfractaire qui ne peut pas complètement être contrôlés par un traitement médical ^1. La chirurgie peut entraîner statut indemne de saisie si les zones responsables de la génération des crises (la zone épileptogène - EZ) cerveau sont localisés et enlevés chirurgicalement ou déconnectés. Afin de définir la localisation anatomique de l'EZ et sa proximité avec de possibles zones éloquentes corticales et sous-corticales, une gamme d'outils non invasifs sont disponibles: l'analyse de la sémiologie saisie, enregistrements électroencéphalographiques vidéo-cuir chevelu (ictales et enregistrements intercritiques), des tests neuropsychologiques , la magnétoencéphalographie (MEG) et l'IRM ^2. Lorsque les données non invasive est insuffisante pour precisely définir l'emplacement de l'EZ hypothétique, quand il ya la suspicion de participation précoce des corticales et sous-corticales ou zones où il ya la possibilité pour les crises multifocales, la surveillance invasive chronique peut être nécessaire ^3,4.

Méthodes de surveillance invasive chronique pour définir l'emplacement et les limites d'un EZ peuvent inclure des grilles sous-duraux et les bandes, avec des électrodes placées sur la surface du cerveau, et stéréo-électro-encéphalographie (SEEG), lorsque plusieurs électrodes profondes sont placés dans le cerveau d'une à trois mode dimensionnelle. Enregistrements intracrâniens sous-duraux ont d'abord été signalés en 1939, lorsque Penfield et ses collègues ont utilisé des électrodes de contact unique péridurale chez un patient avec une vieille gauche temporo-pariétale fracture et dont pneumoencephalography divulgué atrophie cérébrale diffuse ^5. Par la suite, l'utilisation de tableaux de la grille sous-dural est devenu plus populaire après de multiples publications dans les années 1980 ont démontré leur⁶ innocuité et l'efficacité. La méthode la SEEG a été développé et popularisé en France par Jean Tailarach et Jean Bancaud dans les années 50 et a été principalement utilisé en France et en Italie, la méthode de choix pour la cartographie invasive dans l'épilepsie focale réfractaire ^7-9.

Le principe de la SEEG est basée sur des corrélations anatomo-électro-clinique, qui prend comme principe de base de l'organisation en 3 dimensions spatio-temporelle de la décharge épileptique dans le cerveau en corrélation avec la saisie sémiologie. La stratégie d'implantation est individualisé, avec le placement des électrodes sur la base d'une hypothèse de préimplantatoire qui prend en considération la principale organisation de l'activité épileptique et le réseau épileptique hypothétique impliqué dans la propagation des crises. Selon plusieurs rapports nord-américaines et européennes récentes, la méthodologie SEEG permet des enregistrements précis de structures corticales et sous-corticales profondes, lo non attenant multiplesbes, et des explorations bilatérales tout en évitant la nécessité pour les grandes craniotomies ^10-15. Par la suite, les images post-opératoires sont prises pour obtenir la position anatomique exact des électrodes implantées. Par la suite, une période de surveillance commence dans laquelle les patients restent à l'hôpital pour une période de 1 à 4 semaines afin d'enregistrer les activités intercritiques et ictales des électrodes implantées. Cette période de surveillance est un moment opportun pour étudier le fonctionnement du cerveau en utilisant une analyse SEEG liés à l'événement, car il n'y a pas de risque supplémentaire et le patient considère généralement l'étude de recherche comme un répit bienvenu de la période de surveillance terrestre. Les enregistrements ont recueilli à partir d'électrodes intracrâniennes ne sont pas seulement indispensables à l'amélioration de l'évaluation et des soins de patients atteints d'épilepsie, mais en outre fournir l'occasion exceptionnelle d'étudier l'activité du cerveau humain au cours de paradigmes comportementaux.

Plusieurs chercheurs ont déjà réalisé la possibilité d'étudier les enregistrements invasifs depatients atteints d'épilepsie. Hill et al. Rapport sur ​​la méthodologie utilisée pour l'enregistrement de signaux électrocorticographiques (ECoG) de patients pour la cartographie corticale fonctionnelle ^16. Enregistrements ECoG ont également permis de mieux comprendre le couplage de langue de moteur ^17. Les patients avec des électrodes implantées en profondeur ont effectué des tâches de navigation pour étudier les oscillations du cerveau dans la mémoire, l'apprentissage et le mouvement ^{18 19.} enregistrements d'électrodes de profondeur ont également été utilisées pour étudier les paradigmes avec une résolution temporelle autrement inaccessibles telles que l'hippocampe activité évoquée ^20, l'activité neuronale dans le réseau par défaut en mode ^21, et l'évolution dans le temps de traitement des émotions ^22. Hudry et al ont étudié les patients avec épilepsie du lobe temporal qui avait électrodes SEEG implantés dans leur amygdale pour stimuli olfactifs à court terme correspondant à ^23. Un autre groupe a étudié les mouvements des membres simples comme la flexion de la main ou d'un mouvement unilatéral de la main ou du pied brai santén sites de patients épileptiques avec implanté SEEG ^24,25.

Les études décrites ci-dessus sont un petit échantillon d'une collection très diversifiée de la littérature pertinente. Il existe un potentiel insurmontable à apprendre et à comprendre comment fonctionne le cerveau humain en utilisant une combinaison de tâches comportementales et enregistrements intracrâniens. Bien qu'il existe d'autres méthodes pour atteindre cet objectif, les enregistrements intracrâniens possèdent plusieurs avantages, y compris la résolution temporelle et spatiale ainsi que l'accès à des structures plus profondes. Les auteurs visent à décrire la méthodologie générale pour l'enregistrement de patients avec des électrodes intracrâniennes lors de tâches comportementales. Cependant, il existe plusieurs moyens de dissuasion et des obstacles à l'achèvement avec succès de la recherche clinique chez les patients qui reçoivent des soins. Limites, effets de confusion, et de l'importance de cette recherche seront également identifiés et explorés.

Protocole

Toutes les tâches ont été effectuées selon un protocole approuvé soumis à l'Institutional Review Board (IRB) de la Cleveland Clinic Foundation. Un processus de consentement éclairé a été réalisée avec chaque patient avant toutes les activités de recherche. Dans cet exemple, un sujet qui répond au critère de l'étude qui a eu stéréo-électroencéphalographie (SEEG) électrodes implantées pour la saisie est choisi. Le projet a été discutée avec le sujet et ils ont accepté de participer.

1. recrutement des patients

1. Évaluer les patients atteints d'épilepsie réfractaire en contrepartie de l'implantation d'électrodes intracrâniennes. Si le patient est un bon candidat pour la chirurgie mini-invasive, d'analyser le patient IRM, TEP et MEG avec la pathologie de saisie dans le but d'optimiser le placement des électrodes. Une équipe clinique effectue toutes les évaluations et les décisions sont prises sans des fins de recherche. .
2. Identifier les patients éligibles pour l'étude subsequent à l'évaluation de l'implantation et de vérifier les patients par le protocole homologués par l'IRB sur la base des critères d'inclusion / exclusion.
   NOTE: Il est dans le meilleur intérêt du patient afin d'inclure les sujets avec une aura dans les critères d'inclusion. Les patients avec des auras en mesure d'informer les chercheurs qu'ils sont sur le point d'avoir une crise; donnant l'chercheurs et le patient le temps de prendre les précautions nécessaires (en appuyant sur l'alarme de la saisie d'informer le personnel clinique et en tirant tous les équipements de la route). Cependant, si les sujets sont recrutés qui n'ont pas une aura, veiller à ce que les dispositifs d'entrée des patients peuvent être facilement retirés de la zone patient et que le personnel est conscient de l'équipement de recherche et de protocole.
3. Obtenir le consentement éclairé préalable à toute activité de recherche, conformément à la CISR. Pendant le consentement éclairé, expliquer la recherche, en soulignant que la participation est strictement volontaire et aura un impact en aucune façon les patients des soins cliniques. Dans la plupart des cas, il ya is sans bénéfice direct pour le patient et leur volonté de participer est altruiste.
4. Maintenir le respect des droits du patient et la vie privée en tout temps. Rappeler aux patients que leurs informations resteront anonymes et confidentielles et elles peuvent cesser de participer à l'étude à tout moment dans aucune conséquence.
5. Avoir le signe patient et dater le consentement éclairé si il ou elle comprend et accepte de participer à l'étude. Laissez une copie est laissé avec le patient à examiner; s'ils ont des questions ou des préoccupations encourager les patients à communiquer avec le PI.

2 Comportement System Set-up

1. Avant de mettre l'appareil dans la pièce, assurez-vous qu'il ya suffisamment d'espace dans la chambre du patient, ainsi que l'accès aux points de vente nécessaire (2).
2. Assurez-vous que tous les équipements et les fils sont prêts à accélérer la mise en place. Le système comportemental comprend approuvé par la FDA bras robotisé (qui permet au sujet de suiterol un curseur au cours de la tâche), un ordinateur portable pour contrôler le programme de comportement, un écran pour la présentation des stimuli tâches, et un système d'acquisition de données pour stocker les données électrophysiologiques et comportementales.
   REMARQUE: Effectuez les modifications nécessaires pour répondre aux besoins spécifiques de l'un de la recherche. Par exemple, utiliser une boîte de bouton pour l'interface patient à la place du bras robotisé.
3. Si le patient n'est pas actuellement positionné de manière appropriée pour compléter la tâche, aider le patient à un fauteuil inclinable (ou lit) avec des armes, ils doivent avoir une crise.
   NOTE: C'est une bonne idée de discuter de la conception de l'étude, de l'équipement, etc, avec tous les membres de l'unité de surveillance pour les informer de ce qui se passe, comment le groupe sera en interaction avec les patients, et d'éventuels problèmes qui peuvent survenir.
4. Lorsque le patient est prêt, mettre le système de comportement dans la pièce et commencer le démarrage du système comportemental et le bras robotique.
5. Connectez le marke numérique événementiellesortie de r à partir de l'ordinateur du comportement aux canaux à courant continu du système d'acquisition électrophysiologique pour verrouiller les signaux de temps SEEG enregistrés avec des marqueurs d'événements du comportement.
   NOTE: Dans ce centre il ya un système d'acquisition électrophysiologique distinct désigné à des fins de recherche, qui n'interfère pas avec le système d'acquisition clinique. Cependant, il est possible d'utiliser le système d'acquisition clinique en travaillant avec le personnel approprié. Tous les efforts doivent être faits pour ne pas perturber l'acquisition clinique.
6. Calibrer le bras robotisé et le positionner de telle sorte que l'amplitude du mouvement est confortable pour le patient. Si vous utilisez un autre périphérique d'interface, s'assurer que l'équipement fonctionne correctement et est positionné confortablement pour le sujet à utiliser.
7. Tout en utilisant le bras robotisé, veiller à ce que les boutons d'arrêt d'urgence sont facilement accessibles par les chercheurs tout au long de la tâche comportementale. Dans le cas d'une saisie, le bouton d'arrêt d'urgence estenfoncé et l'appareil est retiré du patient, de sorte qu'ils ne se nuisent pas. En outre, nous n'utilisons pas les bandes velcro qui viennent avec le système de robot pour faciliter le retrait du patient en cas de crise survient.
   REMARQUE: Dans cet exemple, le port parallèle de la plate-forme de conduite est connectée à la borne d'entrée numérique du système d'acquisition au moyen d'un câble de port parallèle. Signaux analogiques supplémentaires tels que x et y position du bras robotique sont enregistrées simultanément.

3. comportementale Groupe

1. Expliquer la tâche au patient suite à l'achèvement de la plate-forme en place et l'étalonnage du dispositif d'interface.
2. Utilisez une tâche comportementale similaire au jeu de carte pour les enfants de «guerre». Demandez au patient de faire des paris pour savoir si leur carte est plus grande que la carte de l'ordinateur. Le choix de la mise est basée sur la perception de la valeur relative de sa carte de patients. Simplifier le tposer pour une analyse ultérieure, en utilisant uniquement des cartes d'une couleur et de limiter le pont pour les 2, 4, 6, 8, et 10 cartes numérotées.
3. Afficher une queue de fixation sur l'écran de 350 ms. S'assurer que le patient tient le curseur sur le repère de fixation pour lancer la tâche.
4. Voir le stimulus pour 1000 ms. Permettre au patient de voir leur carte avec la carte de l'ordinateur à côté de lui face cachée.
5. Suite à la disparition des cartes, montrer un aller-cue (<5000 ms) affichant deux options, demandant au patient de parier soit $ 5 ou $ 20, en fonction de leur carte. Demandez au patient de placer un pari en déplaçant le curseur à l'aide du bras robotisé, sur leur pari choisi. Aléatoire la position de pari d'un essai à faire en sorte pas de biais sur la base de la position.
6. Après le pari a été sélectionné, vous remarquerez un 250 - 500 ms retard (écran blanc), suivie par la révélation de la carte de l'ordinateur (1000 - 1250 msec). Observez le résultat (1000 ms), si le procès a été une victoire, perdre, ou de dessiner etcombien a été gagné ou perdu.
7. Permettre au patient de pratiquer jusqu'à ce qu'ils sont confiants dans leurs performances et n'ont pas de questions.

4. d'acquisition de données

1. Enregistrer les données lorsque le patient est prêt et vérifiez que les paramètres de la recherche (ou clinique) système d'acquisition sont choisis de manière appropriée.
2. Éteignez les lumières de la pièce et de la télévision à réduire le bruit de fond à un minimum lors de l'enregistrement. En outre, demander au patient de s'abstenir de comportements tels que l'appui sur le pied, de parler ou de secouer les jambes.
3. Commencez la tâche et enregistrer le patient exécution de la tâche. Demandez au sujet d'accomplir la tâche pendant 30 min. La vitesse du système de bras de robot d'échantillonnage est de 1 kHz, et que d'un système d'enregistrement est SEEG 2 KHz.
   NOTE: Cette durée peut être différente pour d'autres paradigmes.

Analyse 5. données

1. Tout d'abord, anonymiser les données SEEG enregistrés pour s'assurer que le 'information du patienttion restent confidentielles et que ses / ses données est soumis de façon anonyme.
2. Obtenir les coordonnées des électrodes endroits de la IRM CT préopératoire et postopératoire.
3. Alignez les enregistrements neurophysiologiques avec les horodateurs numériques d'intérêt de la tâche comportementale.
4. Appliquer des méthodes d'analyse de signaux pour analyser l'activité du cerveau modulation dépendant de l'événement.
   NOTE: Dans cette étude, la densité spectrale de puissance (PSD) de l'événement lié signaux SEEG a été calculée en utilisant la boîte à outils Chronux multitaper ^26,27. Chaque donnée d'essai a été aligné par rapport à l'événement en question (temps zéro), et le PSD calculée a été normalisé dans chaque intervalle de fréquence par rapport à la PSD de base.

Résultats

Dans ces résultats, nous présentons l'analyse des données de la SEEG du système limbique capturé dans un sujet jouant le Groupe de guerre. Nous pouvons démontrer que les différents aspects de l'Équipe guerre évoquent significative de la bande gamma (40-150 Hz) la modulation dans le système limbique (Figure 1). Comme on le voit, dans le cortex visuel, la présentation d'un objet sur l'écran résulte en un temps de latence rapide (~ 200 msec) réponse large bande indépendamment...

Discussion

Ici, nous avons présenté une méthode pour réaliser des études électrophysiologiques intracrâniennes chez les humains comme ils se livrent à une tâche comportementale. Cette méthodologie et ses permutations simples sont importantes pour étudier le mouvement humain et de la cognition. Bien qu'il existe intrinsèquement avantages et les inconvénients de toute technique, l'enregistrement à partir d'électrodes intracrâniennes présente des avantages par rapport aux autres techniques électrophysiol...

matériels

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