Esecuzione di attività comportamentali in soggetti con intracraniche Elettrodi

Riepilogo

I pazienti impiantati con elettrodi intracranici forniscono un'occasione unica per registrare i dati neurologici da più aree del cervello mentre il paziente esegue attività comportamentali. Qui, vi presentiamo un metodo di registrazione da pazienti impiantati che possono essere riproducibile in altri istituti con l'accesso a questa popolazione di pazienti.

Abstract

I pazienti che hanno stereo-elettroencefalografia (SEEG) elettrodi, griglia o profondità subdurale impianti di elettrodi hanno una moltitudine di elettrodi impiantati in diverse aree del loro cervello per la localizzazione della loro attenzione sequestro e aree eloquenti. Dopo l'impianto, il paziente deve rimanere in ospedale fino a quando l'area patologica del cervello si trova ed eventualmente asportato. Durante questo periodo, questi pazienti offrono un'opportunità unica per la comunità di ricerca, perché ogni numero di paradigmi comportamentali può essere eseguita per scoprire la correlazione neurale che il comportamento di guida. Qui vi presentiamo un metodo per registrare l'attività cerebrale da impianti intracranici come soggetti svolgono un compito comportamentale progettato per valutare il processo decisionale e la codifica ricompensa. Tutti i dati elettrofisiologici dagli elettrodi intracranici sono registrati durante il compito comportamentale, consentendo l'esame delle numerose aree cerebrali coinvolte in una singola funzione a scale temporali rilevanti per il comportamento.Inoltre, a differenza di studi su animali, pazienti umani possono imparare una grande varietà di compiti comportamentali rapidamente, consentendo la possibilità di eseguire più di un compito nello stesso soggetto o per i controlli dello spettacolo. Nonostante i numerosi vantaggi di questa tecnica per comprendere la funzione del cervello umano, ci sono anche limitazioni metodologiche che analizzeremo, tra cui i fattori ambientali, gli effetti analgesici, vincoli di tempo e registrazioni di tessuto malato. Questo metodo può essere facilmente implementata da qualsiasi istituzione che effettua valutazioni intracranici; offrendo l'opportunità di esaminare direttamente la funzione del cervello umano durante comportamento.

Introduzione

L'epilessia è uno dei disturbi cerebrali più comuni, caratterizzata da crisi ricorrenti cronici derivanti da eccessive scariche elettriche provenienti da gruppi di neuroni. L'epilessia colpisce circa 50 milioni di persone in tutto il mondo e circa il 40% di tutte le persone con epilessia hanno convulsioni intrattabili che non possono essere completamente controllati dalla terapia medica ^1. La chirurgia può risultare in stato di libero sequestro se le aree cerebrali responsabili della generazione di convulsioni (la zona epilettogena - EZ) sono localizzati e chirurgicamente rimossi o scollegati. Al fine di definire la posizione anatomica della EZ e la sua vicinanza con possibili aree eloquenti corticali e subcorticali, una serie di strumenti non invasivi sono disponibili: analisi di sequestro semiologia, registrazioni elettroencefalografiche di video-cuoio (ictali e registrazioni interictali), test neuropsicologici , magnetoencefalografia (MEG) e la risonanza magnetica ^2. Quando i dati non invasivo è insufficiente per precisely definiscono la posizione della EZ ipotetico, quando vi è il sospetto di coinvolgimento precoce di corticale eloquente e aree sottocorticali o quando c'è la possibilità di crisi epilettiche multifocali, il monitoraggio invasivo cronica può essere richiesto ^3,4.

Metodi di monitoraggio croniche invasivo per definire l'ubicazione e il perimetro di un EZ può includere griglie subdurali e strisce, con elettrodi posti sulla superficie del cervello, e stereo-elettroencefalografia (SEEG), quando più gli elettrodi di profondità sono collocati nel cervello in tre moda dimensionale. Registrazioni intracraniche subdurali sono stati inizialmente riportati nel 1939, quando Penfield e colleghi hanno utilizzato elettrodi di contatto singoli epidurale in un paziente con una vecchia frattura temporale-parietale sinistro e la cui pneumoencephalography comunicati diffusa atrofia cerebrale ^5. Successivamente, l'uso di array griglia subdurali è diventato più popolare dopo più pubblicazioni nel corso del 1980 hanno dimostrato la lorosicurezza ed efficacia ^6. Il metodo SEEG è stato sviluppato e reso popolare in Francia da Jean Tailarach e Jean Bancaud negli anni '50 ed è stato in gran parte utilizzato in Francia e in Italia, come il metodo di scelta per la mappatura invasiva refrattaria epilessia focale ^7-9.

Il principio di SEEG si basa sulle correlazioni anatomo-elettro-clinico, che ha come principio fondamentale l'organizzazione spazio-temporale 3-dimensionale dello scarico epilettica nel cervello in correlazione con sequestro semiologia. La strategia impianto è individualizzato, con il posizionamento degli elettrodi basato su un'ipotesi preimpianto che prende in considerazione l'organizzazione principale dell'attività epilettiforme e la rete epilettico ipotetica coinvolti nella propagazione di convulsioni. Secondo diversi rapporti nordamericani e europei recenti, la metodologia SEEG consente registrazioni precise profonde strutture corticali e sottocorticali, più lo non contiguibes, ed esplorazioni bilaterali, evitando la necessità di grandi craniotomie ^10-15. Successivamente, immagini postoperatorie sono prese per ottenere l'esatta posizione anatomica degli elettrodi impiantati. Successivamente, inizia un periodo di monitoraggio in cui i pazienti rimangono in ospedale per un periodo da 1 a 4 settimane, al fine di registrare le attività interictali e ictali dagli elettrodi impiantati. Questo periodo di monitoraggio è un momento opportuno per studiare la funzione del cervello con eventi legati analisi SEEG, in quanto non vi è alcun rischio aggiunto e il paziente vede tipicamente lo studio di ricerca come una tregua benvenuto dal periodo di monitoraggio mondano. Le registrazioni raccolto dagli elettrodi intracranici non solo sono di vitale importanza per una migliore valutazione e la cura dei pazienti affetti da epilessia, ma in aggiunta offrono l'eccezionale opportunità di studiare l'attività del cervello umano durante paradigmi comportamentali.

Diversi ricercatori hanno già realizzato la possibilità di studiare le registrazioni invasive dapazienti con epilessia. Hill et al. Riportato sulla metodologia per la registrazione electrocorticographic (ECOG) segnali di pazienti per la mappatura corticale funzionale ^16. Registrazioni ECOG hanno anche fornito informazioni di accoppiamento motore-lingua ^17. I pazienti con elettrodi di profondità impiantati hanno effettuato attività di navigazione per studiare le oscillazioni cerebrali in memoria, l'apprendimento e il movimento ^{18 19.} Registrazioni elettrodi di profondità sono stati utilizzati anche per studiare i paradigmi con risoluzione temporale altrimenti irraggiungibili come ippocampale evocata l'attività ^20, l'attività neurale nella rete default-mode ^21, e il corso temporale di elaborazione emotiva ^22. Hudry et al hanno studiato i pazienti con epilessia del lobo temporale che aveva elettrodi SEEG impiantati nel loro amigdala per stimoli olfattivi a breve termine di corrispondenza ^23. Un altro gruppo ha studiato semplici movimenti degli arti, come la flessione mano o movimento unilaterale della mano o il piede in brai sanositi n di pazienti epilettici con impiantati SEEG ^24,25.

Gli studi di cui sopra sono un piccolo campione di una collezione molto varia di letteratura rilevante. Esiste un potenziale insormontabile per imparare e capire come funziona il cervello umano utilizzando una combinazione di compiti comportamentali e registrazioni intracraniche. Mentre ci sono altri metodi per raggiungere tale obiettivo, le registrazioni intracraniche possiedono diversi vantaggi, tra cui ad alta risoluzione temporale e spaziale, nonché l'accesso alle strutture più profonde. Gli autori hanno lo scopo di descrivere la metodologia generale per la registrazione da pazienti con elettrodi intracranici durante compiti comportamentali. Tuttavia, ci sono diversi fattori dissuasivi e barriere di completare con successo la ricerca clinica nei pazienti che ricevono cure. Limitazioni, effetti confondenti, e il significato di questa ricerca saranno identificati e esplorate.

Protocollo

Tutte le attività sono state eseguite secondo un protocollo approvato presentata al Institutional Review Board (IRB), della Cleveland Clinic Foundation. Un processo di consenso informato è stato condotto con ogni paziente prima di tutte le attività di ricerca. In questo esempio, un soggetto che soddisfi il criterio studio che ha avuto stereo-elettroencefalografia (Seeg) elettrodi impiantati per sequestro è scelto. Il progetto è stato discusso con il soggetto e hanno acconsentito a partecipare.

1 arruolamento dei pazienti

1. Valutare i pazienti con epilessia refrattaria in considerazione per intracranica elettrodo impianto. Se il paziente è un buon candidato per la chirurgia invasiva, analizzare il paziente MRI, PET e MEG insieme alla patologia sequestro al fine di ottimizzare il posizionamento degli elettrodi. Un team clinico svolge tutte le valutazioni e le decisioni non sono fatti per scopi di ricerca. .
2. Identificare i pazienti eleggibili per lo studio subsequent alla valutazione per l'impianto e verificare i pazienti per il protocollo IRB approvato sulla base dei criteri di inclusione / esclusione.
   NOTA: E 'nel migliore interesse del paziente per includere soggetti con un alone nei criteri di inclusione. I pazienti con aure sono in grado di informare i ricercatori che stanno per avere un sequestro; dando al paziente ricercatori e il tempo di prendere le necessarie precauzioni (premendo l'allarme sequestro a notificare al personale clinico e tirando tutte le attrezzature di mezzo). Tuttavia, se i soggetti sono reclutati che non hanno un'aura, assicurarsi che i dispositivi di input del paziente possono essere facilmente rimossi dalla zona paziente e che il personale sia a conoscenza delle attrezzature di ricerca e il protocollo.
3. Ottenere il consenso informato prima di qualsiasi attività di ricerca in conformità con l'IRB. Durante il consenso informato, spiega la ricerca, sottolineando che la partecipazione è assolutamente volontaria e non sarà in alcun modo influenzare i pazienti cura clinica. Nella maggior parte dei casi is nessun beneficio diretto per il paziente e la loro volontà di partecipare è altruista.
4. Mantenere il rispetto dei diritti del paziente e la privacy in ogni momento. Ricorda ai pazienti che le loro informazioni rimarranno anonime e confidenziali e possono cessare la partecipazione allo studio in qualsiasi momento, sotto alcuna conseguenza.
5. Avere il segno paziente e la data del consenso informato se lui o lei capisce e accetta di partecipare allo studio. Lascia una copia è lasciato con il paziente di rivedere; dovrebbero avere domande o dubbi incoraggiare i pazienti a contattare il PI.

2 Comportamento System Set-up

1. Prima di portare l'apparecchio nella stanza, assicurarsi che ci sia spazio sufficiente nella stanza del paziente, così come l'accesso alle prese necessarie (2).
2. Verificare che tutte le apparecchiature ei cavi sono pronti ad accelerare la messa a punto. Il sistema comportamentale include un FDA ha approvato braccio robotico (che permette al soggetto di control un cursore durante l'operazione), un computer portatile per controllare il programma comportamentale, un monitor per presentare gli stimoli di attività, e di un sistema di acquisizione dati per memorizzare i dati elettrofisiologici e comportamentali.
   NOTA: Effettuare le modifiche necessarie per soddisfare le esigenze specifiche della propria ricerca. Ad esempio, utilizzare una casella di pulsante per l'interfaccia paziente al posto del braccio robotico.
3. Se il paziente non è attualmente posizionata in modo adeguato per completare l'operazione, aiutare il paziente ad una sedia reclinabile (o matrimoniale) con le armi, dovrebbero avere un sequestro.
   NOTA: E 'una buona idea per discutere il disegno dello studio, le attrezzature, ecc, con tutti i membri dell'unità di monitoraggio per informarli di quello che sta succedendo, come il gruppo interagirà con i pazienti, e gli eventuali problemi che possono sorgere.
4. Quando il paziente è pronto, portare il sistema comportamentale nella stanza e iniziare l'avvio del sistema comportamentale e il braccio robotico.
5. Collegare il Marke evento digitaler uscita dal computer comportamentale ai canali CC del sistema di acquisizione elettrofisiologico per un tempo bloccare i segnali SEEG registrate con marcatori comportamentali eventi.
   NOTA: In questo centro vi è un sistema separato di acquisizione elettrofisiologico designata a fini di ricerca, che non interferiscono con il sistema di acquisizione clinico. Tuttavia, è possibile utilizzare il sistema di acquisizione clinica lavorando con il personale addetto. Tutti gli sforzi dovrebbero essere fatti per non interrompere l'acquisizione clinica.
6. Calibrare il braccio robotico e posizionarlo in modo che la gamma di movimento è confortevole per il paziente. Se si utilizza un altro dispositivo di interfaccia, accertarsi che l'impianto funzioni correttamente ed è posizionato comodamente per il soggetto da utilizzare.
7. Durante l'utilizzo del braccio robotico, assicurarsi che i pulsanti di arresto di emergenza sono facilmente accessibili dai ricercatori di tutto il compito comportamentale. In caso di sequestro, il pulsante di arresto di emergenza èpremuto e l'apparecchiatura è tirato via dal paziente in modo che non si danneggiano se stessi. Inoltre, non usiamo le cinghie in velcro che vengono con il sistema robotico per facilitare la rimozione dal paziente nel caso in cui si verifica un sequestro.
   NOTA: In questo esempio, la porta parallela del rig comportamento è collegata alla porta di ingresso digitale del sistema di acquisizione mediante un cavo porta parallela. Ulteriori segnali analogici come l'x e y posizione del braccio robotico vengono registrati simultaneamente.

3 comportamentale Task

1. Spiegare il compito al paziente dopo il completamento della piattaforma impostare e taratura del dispositivo di interfaccia.
2. Utilizzare un compito comportamentale simile al gioco di carte per bambini di "guerra". Chiedere al paziente di effettuare scommesse sul fatto che la loro carta è maggiore di carta del computer. La scelta della scommessa si basa sulla percezione del paziente del valore relativo della loro carta. Semplificare il tchiedere per successive analisi, utilizzando solo carte dello stesso seme e limitando il ponte alle 2, 4, 6, 8, e 10 carte numerate.
3. Mostra una stecca fissazione sullo schermo per 350 msec. Assicurarsi che il paziente tiene il cursore sopra il marchio fissazione per avviare l'attività.
4. Mostra lo stimolo per 1000 msec. Lasciare che il paziente per vedere la loro carta con la carta del computer accanto a faccia in giù.
5. Dopo la scomparsa carte, mostrano un go-cue (<5.000 msec) visualizza due opzioni, chiedendo al paziente di scommettere $ 5 o $ 20, sulla base della loro carta. Chiedere al paziente di effettuare la scommessa spostando il cursore con il braccio robotizzato, su loro scommessa prescelta. Randomize la posizione puntata da prova a prova per garantire l'assenza di pregiudizi in base alla posizione.
6. Dopo aver selezionato la scommessa, notare un 250 - ritardo di 500 msec (schermo nero), seguita dalla rivelazione della carta del computer (1.000 - 1.250 msec). Osservare il risultato (1.000 msec), se il processo è stato una vittoria, perdere, o disegnare equanto è stato vinto o perso.
7. Lasciare che il paziente di praticare fino a che non sono sicuri della loro prestazioni e non hanno domande.

4 Acquisizione Dati

1. Registrare i dati quando il paziente è pronto e verificare che le impostazioni di ricerca (o clinica) sistema di acquisizione siano adeguatamente selezionati.
2. Spegnere le luci della stanza e la TV per mantenere il rumore di fondo al minimo durante la registrazione. Inoltre, chiedere al paziente di astenersi da comportamenti come toccando il loro piede, parlare o agitando le gambe.
3. Inizia l'attività e registra il paziente esegue il compito. Chiedere al soggetto di svolgere il compito per 30 min. La frequenza di campionamento del sistema braccio robotico è di 1 KHz, e quella del sistema di registrazione SEEG è 2 KHz.
   NOTA: Questo periodo può essere diverso per altri paradigmi.

Analisi dei dati 5.

1. In primo luogo, de-identificare i dati SEEG registrati per garantire che informa del pazientezione rimane riservato e che le sue / suoi dati è presentata in forma anonima.
2. Ottenere le coordinate dei luoghi elettrodi dal post-operatorio MRI e TC preoperatoria.
3. Allineare le registrazioni neurofisiologiche con i timestamp digitali di interesse dal compito comportamentale.
4. Applicare metodi di analisi del segnale per analizzare l'evento dipendente modulazione dell'attività cerebrale.
   NOTA: In questo studio, la densità spettrale di potenza (PSD) dell'evento correlato segnali SEEG è stato calcolato utilizzando Chronux multitaper toolbox ^26,27. Ogni dato prova è stata allineata rispetto al relativo evento (tempo zero), e il PSD calcolata è stata normalizzata in ciascun bin di frequenza rispetto al basale PSD.

Risultati

In questi risultati vi presentiamo l'analisi dei dati Seeg dal sistema limbico catturato in un soggetto suonare il Task guerra. Siamo in grado di dimostrare che i vari aspetti della Task guerra evocano significativo della banda gamma (40 - 150 Hz), la modulazione del sistema limbico (Figura 1). Come si è visto, nella corteccia visiva, la presentazione di un oggetto sui risultati dello schermo in una latenza veloce (~ 200 msec) risposta banda larga indipendentemente dalla contingenza compito. Inoltr...

Discussione

Qui abbiamo presentato un metodo per l'esecuzione di studi elettrofisiologici intracraniche negli esseri umani, come si impegnano in un compito comportamentale. Questa metodologia e le sue semplici permutazioni sono importanti per lo studio del movimento umano e la cognizione. Mentre esiste intrinsecamente vantaggi e svantaggi di ogni tecnica, la registrazione da elettrodi intracranici ha dei vantaggi rispetto ad altre tecniche elettrofisiologiche e di imaging. Due dei principali vantaggi sono la capacità di raccog...

Materiali

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