Este método foi desenvolvido com financiamento do Wellcome Trust, do Conselho de Pesquisa Médica, Instituto Nacional de Pesquisas Oxford Saúde Centro de Pesquisa Biomédica e Rosetrees Trust. A Unidade de Neurocirurgia Funcional UCL é apoiada pelo Reino Unido Recurso Parkinson eo Monumento Trust.

1. Consentimento e Identificação de Biomarcadores Este protocolo foi revisado e aprovado pelo Comitê de Ética em Pesquisa Serviço Nacional de South Central - Oxford A. <ol><li> Identificar temas apropriados para o estudo: os sujeitos são aqueles que são clinicamente identificado como sendo adequado para a estimulação profunda do cérebro (doença de Parkinson refratária). Nota: Execute experimento após implante de eletrodos (dia 1) e antes da colocação da bateria / estimulador (dia 7), enquanto os fios são externalizados. </li><li> Consentimento do paciente para os testes de estimulação e pernoite retirada da medicação de Parkinson. </li><li> Após 12 horas a retirada da medicação de Parkinson, ligue eletrodos DBS externalizados para amplificador apropriado (amplificador deve ser concebido, segurança testada e validada para uso neurofisiológica intracraniana em seres humanos) 16. </li><li> Registro potencial de campo local (LFP) em repouso de todos os contatos bilaterally (L &amp; R 0-3 0-3.) </li><li> Crie montagens bipolares (0,2 e 1,3) por subtração de gravações de contatos adjacentes. </li><li> Realizar análise espectral de potência para identificar paciente freqüência beta pico específico e par contato bipolar com maior amplitude beta para testes de estimulação. Nota: maioria dos pacientes com DP sem medicação têm um pico beta 2. Se nenhum pico beta é discernível sem medicação, o paciente deve ser impedida de continuar a análise, pois isso pode representar DBS complicações segmentação. </li><li> Selecione o contato para a estimulação monopolar que é superada por par contato bipolar (0,2 ou 1,3), com maior amplitude beta. </li></ol> 2. Ligação do Paciente para Setup ADBS <ol><li> Ligue o eléctrodo de DBS para o amplificador analógico e um filtro. Nota: filtro passa-banda entre 3-37 Hz com 9100 x ganho. </li><li> Conecte referência para paciente. Nota: Referência deve ser de 5 cm x 5 cm neuroestimulador almofada eletrodo gel ligado por um standard 2 milímetros arame eletrodo monopolar. Coloque o eletrodo sobre a clavícula esquerda. </li><li> Conecte-amplificador analógico para o conversor A / D e computador executando o software de análise de sinal portátil. Segunda etapa digitalmente filtrar o sinal ao redor do paciente pico beta específica com uma banda de passagem 4 Hz. Monitorar amplitude beta e usar isso para controlar a estimulação com um limiar pré-definido. Amplitude beta suave com uma janela de suavização (400 ms foi heurística eficaz nesta configuração.) </li><li> Conecte D / A gatilho para estimulador. </li><li> Conecte-estimulador para paciente através amplificador. Nota: Por razões de segurança, certifique-se densidades de carga estão limitados a &lt;30 μQ / cm 2 e estimulador tem entrada linear - função de saída. Opticamente isolar todas as conexões para paciente. Estimulador devem ser projetados e testados com EN60601-1 padrão de segurança médica como referência. </li></ol> 3. Teste de estimulação contínua convencional <ol><li> Ligue estimulação de alta frequência convencionalção, mas inicialmente a tensão zero (100 ms, 130 Hz, 0 V). Aplicar estimulação monopolar em contato em ponte por par contato bipolar com maior amplitude beta. Monitorar estimulador leitura continuamente ao longo experiência para assegurar que a estimulação é entregue como esperado. </li><li> Aumente lentamente a tensão estimulação por incrementos de 0,5 V a cada poucos minutos, à procura de limiar efeito clínico. Estabelecer tensão estimulação clinicamente útil (geralmente 1,5-3,0 V), acompanhada por efeitos colaterais mínimos ou não, tais como parestesia. </li></ol> 4. Teste de Threshold com on / off Comutação e Gatilho Configuração <ol><li> Com o estímulo na tensão clinicamente eficaz, mude o estimulador off com 250 ms desacelerando. </li><li> Com o estímulo na tensão clinicamente eficaz, mude o estimulador com 250 ms ramp up. </li><li> Informe-se sobre parestesia e quaisquer outros efeitos secundários possíveis experiente sobre a mudança estimulação ligado e desligado. &lt;/ Li&gt; <li> Se os efeitos secundários estão presentes, reduzir a tensão em 0,25 V e repita os passos 4.1 a 4.3 até abaixo parestesia sobre on / off limiar de comutação. </li><li> Por titulação encontrar o limite para parestesia com on / off mudar novamente e definir a tensão um pouco abaixo (0,1 V) este limite para testes adicionais. Se este for clinicamente ineficaz tente outro contato (escolha contacto 1 ou 2). Nota: a mudança estimulador e desliga pode também, em alguns pacientes causar um artefato pico, possivelmente relacionados com a capacitância de carga na interface eletrodo tecido. Como o sinal passa-banda foi filtrada na banda beta, antes de definir um nível de disparo, este artefato foi fortemente atenuada. No entanto, em alguns casos, este artefato foi suficiente para causar auto-disparo. Para resolver isso, nestes casos, reduzimos a tensão de estimulação e aumento do limiar de disparo para escapar de auto-acionamento. Outra forma que isso poderia ser abordado no futuro, se necessário, é através da incorporação deum período de lock-out após cada início de gatilho para evitar a auto-disparo. </li><li> Ligue estímulo na tensão logo abaixo do limiar de parestesia on / off comutação acima determinado. </li><li> Aumentar beta limiar de disparo de amplitude para um nível que resulta no tempo mínimo de estimulação, mantendo simultaneamente o efeito clínico. Apontar para redução de pelo menos 50% no tempo de estimulação. </li><li> Desligue estimulação e deixar paciente sem estimulação (seguindo configurar e entre blocos de teste), durante 10 min à lavagem efeito da estimulação. </li></ol> 5. Teste de paciente em diferentes condições de estimulação <ol><li> Certifique-se de cegueira dos pacientes para testar condições (DBS adaptável, convencional e off). </li><li> Aplicar cada condição de ensaio durante um mínimo de um período de estabilização de 5 min, com a condição de funcionamento antes de começar o teste clínico. Fim condição de teste frontal entre os indivíduos. Corrigir a tensão, largura de pulso e freqüência de estimulação identicamente através de condições de teste de modo que a única diferença está relacionada com o momento da estimulação com relação à amplitude beta. </li><li> Em um ponto fixo pré-determinado após o início da estimulação (por exemplo, como um 300 sec mínimo), avaliar o paciente clinicamente para o efeito através da escala de classificação UPDRS. </li><li> Avaliação de registro de vídeo e, em seguida, taxa cego por especialistas independentes off-line (excluindo rigidez.) </li><li> Realizar avaliação clínica com medidas objetivas (acelerometria ou actimetria). </li></ol>

<ol>
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LZ, MH: consultoria, suporte de viagem, taxas de falar, Medtronic, St Jude. TF: consultoria, AbbVie Pharmaceuticals, St Jude, Medtronic; PL: consultoria, honorários de palestras, Medtronic, St Jude. PB: consultoria, Medtronic, Sapiens.

Este artigo descreve um novo método para o estudo e validação de adaptação estimulação profunda do cérebro em pacientes de pós-operatório. Tratamento DBS é parte de um tratamento padrão para a DP, tremor essencial e distonia e está a ser introduzida e testada numa variedade de outras condições, incluindo a cefaleia em salvas, epilepsia, síndrome de Gilles de la Tourette, transtorno obsessivo-compulsivo e depressão. No momento, todos os paradigmas de estimulação clínicos empregam contínua, a estimulação de malha aberta e embora esses paradigmas de estimulação simples são muitas vezes eficaz, espera-se que eles podem ser significativamente melhorada, tornando-os sensíveis às doenças biomarcadores apropriados e assim optimizar a estimulação em um informado, paciente maneira específica. O método, descrito aqui, permite o teste de ADBS em pacientes exteriorizados após a primeira cirurgia (implante de eléctrodo), antes da internalização e implantação da bateria e estimulador. Usando este método, espera-se láportanto que os investigadores pode investigar a eficácia de ADBS utilizando uma gama de marcadores em todo o espectro de distúrbios para os quais o DBS é usado. Este pode, então, levar a testes no ambiente clínico cronicamente implantado. O protocolo que temos usado e encontrado para ser bem-sucedido é descrito acima. Temos percebido uma série de passos críticos para o ajuste fino do processo, a fim de alcançar ADBS sucesso. Os parâmetros que podem ser controlados nesta configuração ADBS simples incluem tensão, o limiar de gatilho, o contato estimulação e duração de rampa. Estes devem todos ser equilibrado com os efeitos colaterais da mudança estimulação ligado e desligado (parestesia), problemas técnicos (recorrente &#39;self&#39; disparar) e eficácia clínica. Alternando estimulação e fora provoca um artefato dependente de tensão na LFP que, apesar de filtragem, pode potencialmente vazar para a faixa de freqüência de interesse. Se este for grave, ele pode fazer com que o sistema de auto-disparo, mesmo na ausência de umelevação no sinal biomarcador,-beta aqui actividade no potencial de campo local. Isto não representa um problema de segurança, uma vez que efetivamente resulta na ADBS estar ligado o tempo todo e, portanto, imitando CDBs que é conhecido por ser seguro. No entanto, isso não resultar em uma falta de reatividade a amplitude beta e, portanto, a perda de qualquer benefício potencial de ADBS sobre CDBs. Descobrimos que, se necessário, a auto-disparo pode ser evitada através da redução da tensão de estimulação, o aumento do limiar, ou mudando o contacto estimulação. A rampa 250 mseg de estimulação e desligar foi encontrado para ser compromisso satisfatório no que diz respeito à prevenção de parestesias, mantendo a capacidade de resposta de ADBS. Actualmente parâmetros têm de ser ajustados de forma heurística, a fim de alcançar o melhor perfil de resposta em doentes individuais e ainda não identificado regras coerentes que são aplicáveis ​​ao nível do grupo de conseguir isso de forma fiável. No entanto, em todos os pacientes estudados até agora, temos encontradoque o ajuste heurístico de tensão, o limiar de disparo e contatar estimulação habilitado eficaz ADBS e parâmetros ideais foram identificados em menos de 30 min. Espera-se que a gestão de efeitos colaterais (parestesias de on / off switching) e contaminação artefato (possivelmente relacionadas com o tecido-eletrodo capacitância) pode ser mais bem investigada e melhor compreendida para derivar regras mais generalizadas em relação à sua minimização. O espaço de parâmetros potencial de exploração também se tornará maior e mais complicado, pois a complexidade de biomarcadores e algoritmos de estimulação crescer. Por exemplo, as taxas de energia de alta frequência, amplitude e fase de acoplamento variabilidade beta têm sido mostrados para se relacionar com estado parkinsoniano 9,10,12,17. O método descrito no presente documento deve permitir a investigação sistemática de tais parâmetros e o seu efeito sobre a eficácia clínica de estimulação para além do seu perfil de efeitos colaterais. No entanto, o thorough otimização de todos os parâmetros no futuro é provável que ser facilitada uma vez que os modelos DBS e rotinas de otimização de algoritmos que incidem sobre a resposta do biomarcador em vez de efeitos clínicos permitem a limitação do parâmetro varia a ser pesquisado empiricamente. Este método tem demonstrado um melhor consumo de energia e eficácia clínica quando comparado com DBS convencional e tem o potencial de ser melhorada na DP com o avanço em nossa compreensão sobre biomarcadores e estimulação padronização. Em outras condições onde DBS é usado, e muito menos se sabe sobre fisiopatologia subjacente e, portanto, biomarcadores correspondentes estão ainda a ser totalmente determinada. Mais pesquisas significativa é necessária para aproveitar plenamente o potencial da ADBS no parkinsonismo, e explorar a sua viabilidade em uma série de outros potenciais condições neurológicas e neuropsiquiátricas em que a gravidade e comprometimento flutuam ao longo do tempo.

Doença de Parkinson é um distúrbio de movimento comum gravemente incapacitante degenerativa para a qual o tratamento médico a longo prazo é insatisfatória 1. DBS é eficaz para avançado PD refratária, mas é limitado em termos de eficácia, efeitos colaterais e custam 2. Estimulação convencional é definido heuristically por um especialista em distúrbios do movimento e saiu correndo continuamente sem alteração até a próxima visita à clínica. Parâmetros de estimulação típicos são 60 ms de largura de pulso, intensidade de 3 V, e 130 Hz repetição. No entanto, esta estimulação contínua de alta voltagem pode interferir com o normal funcionamento do motor 3. Por mais que a estimulação cardíaca fez a transição com sucesso de sistemas de circuito aberto simples para sistemas de circuito fechado de resposta complexa, com uma melhoria associada em resultado, espera-se que a DBS podem igualmente ser melhorada, tornando-a sensível aos ritmos cerebrais subjacentes - adaptativo DBS (ADBS) 4 , 5. Em order a perceber ADBS, é em primeiro lugar fundamental para identificar biomarcadores confiáveis ​​de doença. A doença de Parkinson é caracterizada pela proeminente beta (13-33 Hz) oscilações registada ao longo do circuito de gânglios da base 2. Essas oscilações beta são suprimidas por levodopa e DBS em proporção à melhora no estado clínico 6,7. Eles são estáveis ​​e robustos no longo prazo e podem ser registados a partir dos mesmos eléctrodos utilizados para DBS clínico tornando-os alvos atractivos para biomarcadores 8. Além oscilações beta, uma gama de outras formas mais complexas, biomarcadores potenciais foram identificados que foram mostrados para relacionar a gravidade dos sintomas de 2,9-12. Prova do princípio da ADBS já foi demonstrado em um modelo não - primata humano de PD 13. Este utilizado um único neurônio motor cortical para controlar a estimulação com disparo do neurônio provocando estimulação DBS após um atraso fixo. O estudo relatou que adaptarestimulação ive foi mais eficaz do que o DBS convencional. Um trabalho recente tem aumentado com sucesso desde ADBS aos seres humanos, o método para o qual é apresentado neste artigo JoVE 14. Este estudo investigou pacientes com DP no período pós-operatório imediato antes da internalização de seus fios e ligação à sua bateria / estimulador. Oscilações beta foram monitorizados em tempo real, on-line e utilizado para controlar o tempo de estimulação de alta frequência. Isto levou a uma redução&gt; 50% no consumo de energia e uma melhoria de 25% em comparação com deficiência motora à estimulação padrão. Estes resultados precisam ser replicados no estado cronicamente implantados onde limiares e parâmetros de estimulação eficaz pode mudar, assim como os níveis da droga. Como tal, os biomarcadores e os algoritmos de controlo podem ter de ser ajustados e combinados em conformidade e de facto pode exigir ainda mais a complexidade de se adaptar a este parâmetro paisagem diferente. Dispositivos que estão equipados para longo prazo ruaimulation e gravação estão sendo desenvolvidas e testadas em uma pesquisa definindo 15. Enquanto isso, há uma necessidade de uma plataforma que permitirá que os possíveis benefícios de adaptação DBS e os algoritmos que sustentam o seu desempenho ser melhor avaliadas e refinado. Este é um passo importante, como erros e abordagens sub-ótimas são mais difíceis de reverter uma vez os sistemas são internalizados para o uso crônico. Além disso, estudos agudos são necessários para motivar esforços para superar os desafios implícitos no desenvolvimento de sistema DBS adaptativo internalizada crônica. O objetivo deste relatório métodos é permitir aos investigadores para explorar uma gama de diferentes biomarcadores e paradigmas de estimulação em pacientes DBS e para otimizar os parâmetros de modo a maximizar a eficácia e minimizar os efeitos colaterais / consumo de energia. É o primeiro método desse tipo a ser eficaz em pacientes com Parkinsonismo e ainda é relativamente simples e fácil de aplicar. O método foi concebido to investigar qualquer paciente DBS para quem não é um biomarcador LFP conhecido e que tem um período de externalização no pós-operatório (período de até 1 semana, quando fios de eletrodos são extra-craniana e disponível para a experimentação antes da inserção da bateria / estimulador).

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="573">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">StimRecord Amplifier (3-37 Hz)</td>
			<td style="width:71px;">In house</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td style="width:167px;">Common mode rejection, 3-37Hz (bandpass), x9500 amplifier. See - Eusebio, A et al. Deep brain stimulation can suppress pathological synchronisation in parkinsonian patients. JNNP (5), 569&#8211;573 (2011)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">1401 Digital acquisition unit</td>
			<td style="width:71px;">CED</td>
			<td style="width:119px;">Micro 1401-3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Spike 2 software</td>
			<td style="width:71px;">CED</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Stimulator</td>
			<td style="width:71px;">In house</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td>Biphase, variable, ramped stimulator. See - Little et al. Adaptive deep brain stimulation in advanced Parkinson&#39;s disease. Annals of Neurology 2013.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Gel electrode reference pad</td>
			<td style="width:71px;">Axelgaard</td>
			<td style="width:119px;">895220</td>
			<td>5x5 cm PALS platinum gel electrode pad</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

controlling parkinson's disease with adaptive deep brain stimulation

Adaptive estimulação cerebral profunda (ADBS) tem o potencial de melhorar o tratamento da doença de Parkinson, optimizando a estimulação em tempo real de acordo com as oscilações do estado da doença e medicação. No presente realização de adaptação DBS gravamos e estimular a partir de eletrodos implantados DBS no núcleo subtalâmico de pacientes com doença de Parkinson no período pós-operatório precoce. Potenciais de campo locais são analógico filtrado entre 3 e 47 Hz, antes de ser transferido para uma unidade de aquisição de dados onde são filtrada digital novamente em torno do paciente pico beta específico, retificado e suavizado para dar uma leitura on-line da amplitude beta. Um limiar para a amplitude beta é definido de forma heurística, que, se cruzada, passa um sinal de disparo para o estimulador. O estimulador então rampas até a estimulação a uma tensão clinicamente eficaz pré-determinado de mais de 250 ms e continua a estimular até a amplitude beta novamente cai abaixo do limiar.Estimulação continua desta maneira com breves episódios de rampa DBS durante períodos de poder beta aumentada. A eficácia clínica é avaliado após um período mínimo de estabilização (5 min), através da avaliação de vídeo unblinded e cego da função motora usando uma seleção de dezenas de Escala de Avaliação Unificada de Parkinson (UPDRS). Trabalhos recentes têm demonstrado uma redução no consumo de energia com ADBS, bem como uma melhoria nos escores clínicos em comparação com DBS convencional. ADBS crônicas poderia agora ser julgado em parkinsonismo.

Os resultados com este método têm sido publicados recentemente usando esse protocolo para amplitude beta (Figura 1) 14. Este estudo mostrou que a estimulação clinicamente eficaz pode ser conseguida, apesar de uma redução&gt; 50% no tempo de estimulação (p &lt;0,001). Também foi observado que o tempo de estimulação tendia a cair progressivamente, apesar de um limiar constante gatilho (2 caudas, teste t de uma amostra, 7 t = 3,2, p = 0,01). O escore motor foram melhoradas em 66% e 50% durante ADBS nas condições unblinded e cegos, respectivamente. Apesar de a reduzida quantidade de total de estimulação - evolução clínica foi de 29% (p = 0,03) e 27% (p = 0,005) melhor no grupo ADBS comparado com o grupo de DBS convencional (não cego cego e, respectivamente, a Figura 2). <img alt="Figura 1" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51403/51403fig1highres.jpg"src = &quot;/ files/ftp_upload/51403/51403fig1.jpg&quot; /&gt; Instalação Figura 1. Configuração Experimental. Experimental para estimulação cerebral profunda adaptativo em indivíduos externalizados. Bipolar potencial de campo local (LFP) é passado através de um amplificador StimRecord personalizado construído que filtra (3-37 Hz) e amplifica (x9, 100). A saída analógica (A) é passado para uma unidade de aquisição de dados, o que o converte num sinal digital (D), que é apresentado em um computador portátil. O sinal digital é filtrada em torno do pico beta em tempo real e convertido em amplitude beta por retificação e alisamento. Um limite é definido que desencadeia estímulos em uma montagem monopolar entre os dois eletrodos bipolares de gravação quando a energia beta cruza a soleira. Estimulação termina quando a energia beta cai novamente abaixo do limite. (Reproduzido com permissão da revista Annals of Neurology.) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51403/51403fig1highres.jpg" target="_blank">Por favor, clique aqui para ver um lar</a>ger versão desta figura. <img alt="Figura 2" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51403/51403fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51403/51403fig2.jpg" /> Figura 2. Melhorias clínicas. ± SEM% mudança na pontuação UPDRS hemicorpo (itens 20, 22 e 23), com diferentes condições de estimulação média avaliada unblinded durante as sessões experimentais (A) ou a partir de gravações de vídeo por especialistas cegos (B). Asterixes denotam diferenças significativas seguintes correção para comparações múltiplas pelo procedimento de taxa de falsas descobertas. Todas as mudanças foram significativas do estado não estimulado, com exceção da pontuação cego para a estimulação aleatória (Reproduzido com permissão da revista Annals of Neurology.) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51403/51403fig2highres.jpg" target="_blank">Por favor, clique aqui para ver uma versão maior</a>desta figura.

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Controlling Parkinson&#039;s Disease With Adaptive Deep Brain Stimulation

Adaptive estimulação profunda do cérebro (ADBS) é eficaz para a doença de Parkinson, melhora dos sintomas e redução do consumo de energia em comparação com a estimulação cerebral profunda convencional (CDBs). Em ADBS rastreamos um potencial biomarcador campo local (amplitude de oscilação beta) em tempo real e usá-lo para controlar o tempo de estimulação.

Controlar a doença de Parkinson com Adaptive Estimulação Cerebral Profunda

Adaptive deep brain stimulation (aDBS) has the potential to improve the treatment of Parkinson&#39;s disease by optimizing stimulation in real time ...

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Research

JoVE Journal

Medicine

Controlling Parkinson's Disease With Adaptive Deep Brain Stimulation

22.1K visualizações.  University of Oxford.  Adaptive estimulação profunda do cérebro (ADBS) é eficaz para a doença de Parkinson, melhora dos sintomas e redução do consumo de energia em comparação com a estimulação cerebral profunda convencional (CDBs). Em ADBS rastreamos um potencial biomarcador campo local (amplitude de oscilação beta) em tempo real e usá-lo para controlar o tempo de estimulação. 

Vídeo: Controlling Parkinson's Disease With Adaptive Deep Brain Stimulation

Intra-Operative Behavioral Tasks in Awake Humans Undergoing Deep Brain Stimulation Surgery

Deep brain stimulation (DBS) is a surgical procedure that directs chronic, high frequency electrical stimulation to specific targets in the brain through implanted electrodes. Deep brain stimulation was first implemented as a therapeutic modality by Benabid et al. in the late 1980s, when he used this technique to stimulate the ventral intermediate nucleus of the thalamus for the treatment of tremor 1. Currently, the procedure is used to treat patients who fail to respond adequately to medical management for diseases such as Parkinson's, dystonia, and essential tremor. The efficacy of this procedure for the treatment of Parkinson's disease has been demonstrated in well-powered, randomized controlled trials 2. Presently, the U.S. Food and Drug Administration has approved DBS as a treatment for patients with medically refractory essential tremor, Parkinson's disease, and dystonia. Additionally, DBS is currently being evaluated for the treatment of other psychiatric and neurological disorders, such as obsessive compulsive disorder, major depressive disorder, and epilepsy. 
DBS has not only been shown to help people by improving their quality of life, it also provides researchers with the unique opportunity to study and understand the human brain. Microelectrode recordings are routinely performed during DBS surgery in order to enhance the precision of anatomical targeting. Firing patterns of individual neurons can therefore be recorded while the subject performs a behavioral task. Early studies using these data focused on descriptive aspects, including firing and burst rates, and frequency modulation 3. More recent studies have focused on cognitive aspects of behavior in relation to neuronal activity 4,5. This article will provide a description of the intra-operative methods used to perform behavioral tasks and record neuronal data with awake patients during DBS cases. Our exposition of the process of acquiring electrophysiological data will illuminate the current scope and limitations of intra-operative human experiments.

Deep brain stimulation surgery offers a unique opportunity to examine information encoding in the awake human brain. This article will describe intra-operative methods used to perform cognitive and behavioral tasks while simultaneously acquiring physiological data such as EMG, single-unit neuronal activity and/or local field potentials.

Intra-operatórias tarefas comportamentais em humanos Awake Submetidas à Cirurgia de Estimulação Profunda do Cérebro

Deep brain stimulation (DBS) is a surgical procedure that directs chronic, high frequency electrical stimulation to specific targets in the brain through ...

Medicina

Development of a Unilaterally-lesioned 6-OHDA Mouse Model of Parkinson's Disease

The unilaterally lesioned 6-hyroxydopamine (6-OHDA)-lesioned rat model of Parkinson's disease (PD) has proved to be invaluable in advancing our understanding of the mechanisms underlying parkinsonian symptoms, since it recapitulates the changes in basal ganglia circuitry and pharmacology observed in parkinsonian patients1-4. However, the precise cellular and molecular changes occurring at cortico-striatal synapses of the output pathways within the striatum, which is the major input region of the basal ganglia remain elusive, and this is believed to be site where pathological abnormalities underlying parkinsonian symptoms arise3,5.
In PD, understanding the mechanisms underlying changes in basal ganglia circuitry following degeneration of the nigro-striatal pathway has been greatly advanced by the development of bacterial artificial chromosome (BAC) mice over-expressing green fluorescent proteins driven by promoters specific for the two striatal output pathways (direct pathway: eGFP-D1; indirect pathway: eGFP-D2 and eGFP-A2a)8, allowing them to be studied in isolation. For example, recent studies have suggested that there are pathological changes in synaptic plasticity in parkinsonian mice9,10. However, these studies utilised juvenile mice and acute models of parkinsonism. It is unclear whether the changes described in adult rats with stable 6-OHDA lesions also occur in these models. Other groups have attempted to generate a stable unilaterally-lesioned 6-OHDA adult mouse model of PD by lesioning the medial forebrain bundle (MFB), unfortunately, the mortality rate in this study was extremely high, with only 14% surviving the surgery for 21 days or longer11. More recent studies have generated intra-nigral lesions with both a low mortality rate &gt;80% loss of dopaminergic neurons, however expression of L-DOPA induced dyskinesia11,12,13,14 was variable in these studies. Another well established mouse model of PD is the MPTP-lesioned mouse15. Whilst this model has proven useful in the assessment of potential neuroprotective agents16, it is less suitable for understanding mechanisms underlying symptoms of PD, as this model often fails to induce motor deficits, and shows a wide variability in the extent of lesion17, 18.
Here we have developed a stable unilateral 6-OHDA-lesioned mouse model of PD by direct administration of 6-OHDA into the MFB, which consistently causes &gt;95% loss of striatal dopamine (as measured by HPLC), as well as producing the behavioural imbalances observed in the well characterised unilateral 6-OHDA-lesioned rat model of PD. This newly developed mouse model of PD will prove a valuable tool in understanding the mechanisms underlying generation of parkinsonian symptoms.

Development of a Unilaterally-lesioned 6-OHDA Mouse Model of Parkinson&#039;s Disease

A protocol for performing unilateral 6-OHDA lesions of the medial forebrain bundle in mice is described. This method has a low mortality rate (13.3 %) with 89% of the surviving animals showing &#62;95% loss of striatal dopamine and 90.63&#177;-4.02 % ipsiversive rotational bias towards the side of the lesion.

Desenvolvimento de um Unilateralmente-lesionadas modelo de rato 6-OHDA da Doença de Parkinson

The unilaterally lesioned 6-hyroxydopamine (6-OHDA)-lesioned rat model of Parkinson's disease (PD) has proved to be invaluable in advancing our ...

MALDI Imaging Mass Spectrometry of Neuropeptides in Parkinson's Disease

MALDI imaging mass spectrometry (IMS) is a powerful approach that facilitates the spatial analysis of molecular species in biological tissue samples2 (Fig.1). A 12 &mu;m thin tissue section is covered with a MALDI matrix, which facilitates desorption and ionization of intact peptides and proteins that can be detected with a mass analyzer, typically using a MALDI TOF/TOF mass spectrometer. Generally hundreds of peaks can be assessed in a single rat brain tissue section. In contrast to commonly used imaging techniques, this approach does not require prior knowledge of the molecules of interest and allows for unsupervised and comprehensive analysis of multiple molecular species while maintaining high molecular specificity and sensitivity2. Here we describe a MALDI IMS based approach for elucidating region-specific distribution profiles of neuropeptides in the rat brain of an animal model Parkinson's disease (PD). 
PD is a common neurodegenerative disease with a prevalence of 1% for people over 65 of age3,4. The most common symptomatic treatment is based on dopamine replacement using L-DOPA5. However this is accompanied by severe side effects including involuntary abnormal movements, termed L-DOPA-induced dyskinesias (LID)1,3,6. One of the most prominent molecular change in LID is an upregulation of the opioid precursor prodynorphin mRNA7. The dynorphin peptides modulate neurotransmission in brain areas that are essentially involved in movement control7,8. However, to date the exact opioid peptides that originate from processing of the neuropeptide precursor have not been characterized. Therefore, we utilized MALDI IMS in an animal model of experimental Parkinson's disease and L-DOPA induced dyskinesia. 
MALDI imaging mass spectrometry proved to be particularly advantageous with respect to neuropeptide characterization, since commonly used antibody based approaches targets known peptide sequences and previously observed post-translational modifications. By contrast MALDI IMS can unravel novel peptide processing products and thus reveal new molecular mechanisms of neuropeptide modulation of neuronal transmission. While the absolute amount of neuropeptides cannot be determined by MALDI IMS, the relative abundance of peptide ions can be delineated from the mass spectra, giving insights about changing levels in health and disease. In the examples presented here, the peak intensities of dynorphin B, alpha-neoendorphin and substance P were found to be significantly increased in the dorsolateral, but not the dorsomedial, striatum of animals with severe dyskinesia involving facial, trunk and orolingual muscles (Fig. 5). Furthermore, MALDI IMS revealed a correlation between dyskinesia severity and levels of des-tyrosine alpha-neoendorphin, representing a previously unknown mechanism of functional inactivation of dynorphins in the striatum as the removal of N-terminal tyrosine reduces the dynorphin's opioid-receptor binding capacity9. This is the first study on neuropeptide characterization in LID using MALDI IMS and the results highlight the potential of the technique for application in all fields of biomedical research.

MALDI Imaging Mass Spectrometry of Neuropeptides in Parkinson&#039;s Disease

Dopamine replacement pharmacotherapy using L-DOPA is the most commonly used symptomatic treatment of Parkinson&#x2019;s disease, but is accompanied by side effects including involuntary abnormal movements, termed dyskinesia 1. Here, a protocol for MALDI imaging mass spectrometry is presented that detects changes in rat brain neuropeptide levels related to dyskinesia.

Espectrometria de Massa MALDI imagem de neuropeptídeos na Doença de Parkinson

MALDI imaging mass spectrometry (IMS) is a powerful approach that facilitates the spatial analysis of molecular species in biological tissue samples2 ...

Skin Punch Biopsy Explant Culture for Derivation of Primary Human Fibroblasts

Tissues and cell lines derived from an individual with disease are ideal sources to study disease-related cellular phenotypes. Patient-derived fibroblasts in this protocol have been successfully used in the derivation of induced pluripotent stem cells to model disease1. Early passages of these fibroblasts can also be used for cell-based functional assays to study specific disease pathways, mechanisms2 and subsequent drug screening approaches. The advantage of the presented protocol over enzymatic procedures are 1) the reproducibility of the technique from small amounts of tissue derived from older patients, e.g. patients affected with Parkinson's disease, 2) the technically simple approach over more challenging methodologies using enzymatic treatments, and 3) the time consideration: this protocol takes 15-20 min and can be performed immediately after biopsy arrival. Enzymatic treatments can take up to 4 hr and have the problems of overdigestion, reduction of cell viability and subsequent attachment of cells when not handled properly. This protocol describes the dissection and preparation of a 4-mm human skin biopsy for derivation of a fibroblast culture and has a very high success rate which is important when dealing with patient-derived tissue samples. In this culture, keratinocytes migrate out of the biopsy tissue within the first week after preparation. Fibroblasts appear 7-10 days after the first outgrowth of keratinocytes. DMEM high glucose media supplemented with 20% FBS favors the growth of fibroblasts over keratinocytes and fibroblasts will overgrow the keratinocytes. After 2 passages keratinocytes have been diluted out resulting in relatively homogenous fibroblast cultures which expresses the fibroblast marker SERPINH1 (HSP-47). Using this approach, 15-20 million fibroblasts can be derived in 4-8 weeks for cell banking. The skin dissection takes about 15-20 min, cells are then monitored once a day under the microscope, and media is changed every 2-3 days after attachment and outgrowth of cells.

The fibroblast explant culture protocol from human skin punch biopsies is a technically robust and simple way to derive skin cells within 4-8 weeks for banking of about 15-20 million cells at a low passage number.

Pele da biópsia Explant Cultura para Derivação de primárias fibroblastos humanos

Tissues and cell lines derived from an individual with disease are ideal sources to study disease-related cellular phenotypes. Patient-derived fibroblasts ...

Isolation of Soluble and Insoluble PrP Oligomers in the Normal Human Brain

The central event in the pathogenesis of prion diseases involves a conversion of the host-encoded cellular prion protein PrPC into its pathogenic isoform PrPSc 1. PrPC is detergent-soluble and sensitive to proteinase K (PK)-digestion, whereas PrPSc forms detergent-insoluble aggregates and is partially resistant to PK2-6. The conversion of PrPC to PrPSc is known to involve a conformational transition of &alpha;-helical to &beta;-sheet structures of the protein. However, the in vivo pathway is still poorly understood. A tentative endogenous PrPSc, intermediate PrP* or "silent prion", has yet to be identified in the uninfected brain7.
Using a combination of biophysical and biochemical approaches, we identified insoluble PrPC aggregates (designated iPrPC) from uninfected mammalian brains and cultured neuronal cells8, 9. Here, we describe detailed procedures of these methods, including ultracentrifugation in detergent buffer, sucrose step gradient sedimentation, size exclusion chromatography, iPrP enrichment by gene 5 protein (g5p) that specifically bind to structurally altered PrP forms10, and PK-treatment. The combination of these approaches isolates not only insoluble PrPSc and PrPC aggregates but also soluble PrPC oligomers from the normal human brain. Since the protocols described here have been used to isolate both PrPSc from infected brains and iPrPC from uninfected brains, they provide us with an opportunity to compare differences in physicochemical features, neurotoxicity, and infectivity between the two isoforms. Such a study will greatly improve our understanding of the infectious proteinaceous pathogens. The physiology and pathophysiology of iPrPC are unclear at present. Notably, in a newly-identified human prion disease termed variably protease-sensitive prionopathy, we found a new PrPSc that shares the immunoreactive behavior and fragmentation with iPrPC 11, 12. Moreover, we recently demonstrated that iPrPC is the main species that interacts with amyloid-&beta; protein in Alzheimer disease13. In the same study, these methods were used to isolate Abeta aggregates and oligomers in Alzheimer's disease13, suggesting their application to non-prion protein aggregates involved in other neurodegenerative disorders.

A new species of cellular prion protein (PrPC) has recently been identified in uninfected human brains using the methods described here. These methods can be used to isolate various PrP species, while some of them are also useful in isolating other misfolded protein aggregates from human brains.

Isolamento de Oligómeros PrP solúveis e insolúveis no cérebro humano normal

The central event in the pathogenesis of prion diseases involves a conversion of the host-encoded cellular prion protein PrPC into its pathogenic isoform ...

The Use of Primary Human Fibroblasts for Monitoring Mitochondrial Phenotypes in the Field of Parkinson's Disease

Parkinson's disease (PD) is the second most common movement disorder and affects 1% of people over the age of 60 1. Because ageing is the most important risk factor, cases of PD will increase during the next decades 2. Next to pathological protein folding and impaired protein degradation pathways, alterations of mitochondrial function and morphology were pointed out as further hallmark of neurodegeneration in PD 3-11.
After years of research in murine and human cancer cells as in vitro models to dissect molecular pathways of Parkinsonism, the use of human fibroblasts from patients and appropriate controls as ex vivo models has become a valuable research tool, if potential caveats are considered. Other than immortalized, rather artificial cell models, primary fibroblasts from patients carrying disease-associated mutations apparently reflect important pathological features of the human disease.
Here we delineate the procedure of taking skin biopsies, culturing human fibroblasts and using detailed protocols for essential microscopic techniques to define mitochondrial phenotypes. These were used to investigate different features associated with PD that are relevant to mitochondrial function and dynamics. Ex vivo, mitochondria can be analyzed in terms of their function, morphology, colocalization with lysosomes (the organelles degrading dysfunctional mitochondria) and degradation via the lysosomal pathway. These phenotypes are highly relevant for the identification of early signs of PD and may precede clinical motor symptoms in human disease-gene carriers. Hence, the assays presented here can be utilized as valuable tools to identify pathological features of neurodegeneration and help to define new therapeutic strategies in PD.

The Use of Primary Human Fibroblasts for Monitoring Mitochondrial Phenotypes in the Field of Parkinson&#039;s Disease

Fibroblasts from patients carrying mutations in Parkinson's disease-causing genes represent an easily accessible ex vivo model to study disease-associated phenotypes. Live cell imaging gives the opportunity to study morphological and functional parameters in living cells. Here we describe the preparation of human fibroblasts and subsequent monitoring of mitochondrial phenotypes.

A utilização de recursos primários fibroblastos humanos de Monitoramento Fenótipos mitocondriais no Campo da Doença de Parkinson

Parkinson's disease (PD) is the second most  common movement disorder and affects 1% of people over the age of 60 1. Because ageing is  the most important ...

Gene-environment Interaction Models to Unmask Susceptibility Mechanisms in Parkinson's Disease

Lipoxygenase (LOX) activity has been implicated in neurodegenerative disorders such as Alzheimer&#39;s disease, but its effects in Parkinson&#39;s disease (PD) pathogenesis are less understood. Gene-environment interaction models have utility in unmasking the impact of specific cellular pathways in toxicity that may not be observed using a solely genetic or toxicant disease model alone.&#160;To evaluate if distinct LOX isozymes selectively contribute to PD-related neurodegeneration, transgenic (i.e. 5-LOX and 12/15-LOX deficient) mice can be challenged with a toxin that mimics cell injury and death in the disorder.&#160;Here we describe the use of a neurotoxin, 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP), which produces a nigrostriatal lesion to elucidate the distinct contributions of LOX isozymes to neurodegeneration related to PD. The use of MPTP in mouse, and nonhuman primate, is well-established to recapitulate the nigrostriatal damage in PD.&#160;The extent of MPTP-induced lesioning is measured by HPLC analysis of dopamine and its metabolites and semi-quantitative Western blot analysis of striatum for tyrosine hydroxylase (TH), the rate-limiting enzyme for the synthesis of dopamine. To assess inflammatory markers, which may demonstrate LOX isozyme-selective sensitivity, glial fibrillary acidic protein (GFAP) and Iba-1 immunohistochemistry are performed on brain sections containing substantia nigra, and GFAP Western blot analysis is performed on striatal homogenates.&#160;This experimental approach can provide novel insights into gene-environment interactions underlying nigrostriatal degeneration and PD.

Gene-environment Interaction Models to Unmask Susceptibility Mechanisms in Parkinson&#039;s Disease

Lipoxygenase (LOX) isozymes can generate products that may increase or decrease neuroinflammation and neurodegeneration.&#160;A gene-environment interaction study could identify LOX isozyme-specific effects. Using the 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP) model of nigrostriatal damage in two LOX isozyme-deficient transgenic lines allows for comparison of the contribution of LOX isozymes on dopaminergic integrity and inflammation.

Modelos de interação gene-ambiente para desmasca mecanismos de suscetibilidade na doença de Parkinson

Lipoxygenase (LOX) activity has been implicated in neurodegenerative disorders such as Alzheimer&#39;s disease, but its effects in Parkinson&#39;s disease ...

Excitotoxic Stimulation of Brain Microslices as an In vitro Model of Stroke

Examining molecular mechanisms involved in neuropathological conditions, such as ischemic stroke, can be difficult when using whole animal systems. As such, primary or &#39;neuronal-like&#39; cell culture systems are commonly utilized. While&#160;these systems are relatively easy to work with, and are useful model systems in which various functional outcomes (such as cell death) can be readily quantified, the examined outcomes and pathways in cultured immature neurons (such as excitotoxicity-mediated cell death pathways) are not necessarily the same as those observed in mature brain, or in intact tissue. Therefore, there is the need to develop models in which cellular mechanisms in mature neural tissue can be examined. We have developed an in vitro technique that can be used to investigate a variety of molecular pathways in intact nervous tissue. The technique described herein utilizes rat cortical tissue, but this technique can be adapted to use tissue from a variety of species (such as mouse, rabbit, guinea pig, and chicken) or brain regions (for example, hippocampus, striatum, etc.). Additionally, a variety of stimulations/treatments can be used (for example, excitotoxic, administration of inhibitors, etc.). In conclusion, the brain slice model described herein can be used to examine a variety of molecular mechanisms involved in excitotoxicity-mediated brain injury.

Excitotoxic Stimulation of Brain Microslices as an In vitro Model of Stroke

We have developed a brain slice model which can be used to examine molecular mechanisms involved in excitotoxicity-mediated brain injury.&#160;This technique generates viable mature brain tissue and reduces animal numbers required for experimentation, whilst keeping the neuronal circuitry, cellular interactions, and postsynaptic compartments partly intact.

Excitotóxico Estimulação do Microslices cérebro como um<em&gt; In vitro</em&gt; Modelo de AVC

Examining molecular mechanisms involved in neuropathological conditions, such as ischemic stroke, can be difficult when using whole animal systems. As ...

Using Saccadometry with Deep Brain Stimulation to Study Normal and Pathological Brain Function

The oculomotor system involves a large number of brain areas including parts of the basal ganglia, and various neurodegenerative diseases including Parkinson's and Huntington's can disrupt it. People with Parkinson's disease, for example, tend to have increased saccadic latencies. Consequently, the quantitative measurement of saccadic eye movements has received considerable attention as a potential biomarker for neurodegenerative conditions. A lot more can be learned about the brain in both health and disease by observing what happens to eye movements when the function of specific brain areas is perturbed. Deep brain stimulation is a surgical intervention used for the management of a range of neurological conditions including Parkinson's disease, in which stimulating electrodes are placed in specific brain areas including several sites in the basal ganglia. Eye movement measurements can then be made with the stimulator systems both off and on and the results compared. With suitable experimental design, this approach can be used to study the pathophysiology of the disease being treated, the mechanism by which DBS exerts it beneficial effects, and even aspects of normal neurophysiology.

This paper describes the use of quantitative measurement of eye movements in conjunction with stimulation of focal areas of the deep brain in order to study physiology, pathophysiology, and the mechanisms of deep brain stimulation.

Usando Saccadometry com Estimulação Cerebral Profunda para estudar normal e patológico função cerebral

The oculomotor system involves a large number of brain areas including parts of the basal ganglia, and various neurodegenerative diseases including ...

Development of an Alpha-synuclein Based Rat Model for Parkinson's Disease via Stereotactic Injection of a Recombinant Adeno-associated Viral Vector

In order to study the molecular pathways of Parkinson&#39;s disease (PD) and to develop novel therapeutic strategies, scientific investigators rely on animal models. The identification of PD-associated genes has led to the development of genetic PD models. Most transgenic &#945;-SYN mouse models develop gradual &#945;-SYN pathology but fail to display clear dopaminergic cell loss and dopamine-dependent behavioral deficits. This hurdle was overcome by direct targeting of the substantia nigra with viral vectors overexpressing PD-associated genes. Local gene delivery using viral vectors provides an attractive way to express transgenes in the central nervous system. Specific brain regions can be targeted (e.g. the substantia nigra), expression can be induced in the adult setting and high expression levels can be achieved. Further, different vector systems based on various viruses can be used. The protocol outlines all crucial steps to perform a viral vector injection in the substantia nigra of the rat to develop a viral vector-based alpha-synuclein animal model for Parkinson&#39;s disease.

Development of an Alpha-synuclein Based Rat Model for Parkinson&#039;s Disease via Stereotactic Injection of a Recombinant Adeno-associated Viral Vector

This manuscript describes how viral vector-mediated local gene delivery provides an attractive way to express transgenes in the central nervous system. The protocol outlines all crucial steps to perform a viral vector injection in the substantia nigra of the rat to develop a viral vector-based animal model for Parkinson's disease.

Desenvolvimento de um modelo de rato baseada alfa-sinucleína para a doença de Parkinson por meio de injecção estereotáxica de um vector viral recombinante adeno-associado

In order to study the molecular pathways of Parkinson&#39;s disease (PD) and to develop novel therapeutic strategies, scientific investigators rely on ...