İntrakraniyal Elektrotlarla Bireylerde Davranış Görevler Sahne

Özet

Intrakranial elektrotlar ile implante hastalar, hasta davranışsal görevleri gerçekleştirir ise beynin birden fazla alanlarda nörolojik veri kaydetmek için eşsiz bir fırsat sunmaktadır. İşte, biz bu hasta popülasyonunda erişimi olan diğer kurumlarda tekrarlanabilir olabilir implante hastaların kayıt bir yöntem mevcut.

Özet

Stereo-elektroensefalografi (Seeg) elektrot, subdural grid veya derinlik elektrot implantlar olan hastalarda, nöbet odağı ve beliğ alanların lokalizasyonu için kendi beynin farklı alanlarında yerleştirilmiş elektrotlar çok sayıda var. Beynin patolojik alanı bulunan ve muhtemelen rezeke kadar implantasyon sonra, hasta hastanede kalmalıdır. Davranışsal paradigmaların herhangi bir sayıda sinirsel ortaya çıkarmak için yapılan bu rehber davranış korelasyon olabilir, çünkü bu süre zarfında, bu hastaların araştırma toplulukları için eşsiz bir fırsat sunuyoruz. Konular karar verme ve ödül kodlama değerlendirmek için tasarlanmış bir davranış görevi gerçekleştirmek gibi burada biz intrakranial implantlar beyin aktivitesini kaydetmek için bir yöntem mevcut. Intrakranial elektrotlar tüm elektrofizyolojik veriler anda tek bir fonksiyonu dahil birçok beyin bölgelerinin incelenmesi için izin davranışsal görevi sırasında davranışı için önemli ölçekleri kaydedilir.Ayrıca, ve hayvan çalışmaların aksine, insan hasta aynı konuda veya performans kontrolleri için birden fazla görevi gerçekleştirmek için yeteneği için izin hızlı davranış görevleri çeşitli öğrenebilirsiniz. İnsan beyni fonksiyonlarını anlamak için bu tekniğin birçok avantajı olmasına rağmen, hastalıklı doku çevresel faktörler, analjezik etkileri, zaman kısıtlamaları ve kayıtlar da dahil biz tartışmak metodolojik sınırlamalar da vardır. Bu yöntem kolaylıkla intrakranial değerlendirmelerini gerçekleştiren herhangi bir kurum tarafından gerçekleştirilebilir; doğrudan davranış sırasında insan beyninin işlevini incelemek için fırsat sağlar.

Giriş

Epilepsi nöronların gruplarından gelen aşırı elektrik deşarjları kaynaklanan kronik tekrarlayan nöbetler ile karakterize, en sık rastlanan beyin bozukluklarından biridir. Epilepsi dünya çapında yaklaşık 50 milyon kişi ve epilepsi ile tüm bireylerin yaklaşık% 40 tamamen medikal tedaviye ¹ ile kontrol edilemeyen dirençli nöbetler etkiler. Lokalize ameliyatla çıkarıldı ya da kesilir - nöbet nesil (EZ Epileptojenik bölge) sorumlu beyin bölgeleri ise cerrahi nöbet serbest statüsünde neden olabilir. Anatomik EZ yerini ve olası kortikal ve subkortikal beliğ alanları ile olan yakınlığı tanımlamak için, non-invaziv araçlar bir dizi mevcuttur: nöbet göstergebilim, video kafa derisi elektroensefalografi kayıtları (iktal ve interiktal kayıtları), nöropsikolojik test analizi , manyetoensefalografi (MEG) ve MRG ^2. Invaziv olmayan veri precisel yetersiz olduğundabeliğ kortikal ve subkortikal bölgelerde veya multi-fokal nöbetler için olasılığı olduğunda, kronik invaziv izleme ^3,4 gerekebilir erken tutulum şüphesi olduğunda y, varsayımsal EZ konumunu tanımlamak.

Birden fazla derinlik elektrotlar bir üç-beyinde yerleştirilir subdural ızgaraları ve şeritler, beynin yüzeyine yerleştirilir elektrotlar ile, ve stereo-elektroensefalografi (Seeg), içerebilir bir EZ yerini ve sınırlarını tanımlayan kronik invaziv izleme yöntemleri boyutlu moda. Penfield ve arkadaşları olan pneumoencephalography diffüz serebral atrofi ⁵ açıklanan eski sol temporal-parietal kırığı olan bir hastada epidural tek kontak elektrotları kullanılmış ve zaman subdural intrakranial kayıtları başlangıçta 1939 yılında rapor edilmiştir. 1980 göstermiştir sırasında Ardından, subdural grid dizilerin kullanımı birden çok yayın sonra daha da popüler oldu onlarıngüvenliği ve etkinliği ^6. Seeg yöntemi geliştirilmiş ve Jean Tailarach ve Jean Bancaud Fransa'da popüler 50 'sırasında ve çoğunlukla refrakter fokal epilepsi ^7-9 invaziv haritalama için tercih yöntemi olarak Fransa ve İtalya'da kullanılmıştır edildi.

Seeg prensibi nöbet semiyolojisi bağlantılı olarak, beyin içinde ana madde olarak epileptik deşarjının 3 boyutlu uzamsal ve zamansal organizasyon gerektirir anatomik-elektro-klinik korelasyon dayanmaktadır. Implantasyon stratejisi dikkate epileptiform aktivitenin birincil organizasyon ve nöbetlerin yayılmasında önemli rol varsayımsal epileptik ağını alır, preimplantasyon hipoteze dayalı elektrot yerleştirme ile, bireyselleştirilmiş. Çeşitli Avrupa ve son Kuzey Amerika raporlarına göre, Seeg metodoloji derin kortikal ve subkortikal yapılar, bitişik olmayan birden çıksa kesin kayıtları sağlarbes ve bilateral araştırmalar büyük kraniyotomilerin ^10-15 ihtiyacını gelmesini de önler. Daha sonra, ameliyat sonrası görüntüler yerleştirilmiş elektrotlar tam anatomik pozisyon elde etmek alınır. Daha sonra, bir izleme dönemi başlar ki hastaların implante elektrodlardan İnteriktal ve iktal aktiviteleri kaydetmek üzere 1-4 haftalık bir süre boyunca hastanede kalır. Hiçbir ilave risk ve hasta genellikle sıradan izleme döneminde bir karşılama ertelemek olarak araştırma çalışması görür gibi bu izleme süresi, olay ile ilgili Seeg analizini kullanarak beyin fonksiyonlarını incelemek için bir fırsat. Kayıtlar intrakranial elektrotlar geliştirilmiş değerlendirme ve epilepsi hastalarının bakımı için sadece hayati olmayan topladı, ama ayrıca davranışsal paradigmalar sırasında insan beyin aktivitesini incelemek için olağanüstü bir fırsat sağlar.

Birçok araştırmacı zaten invazif kayıtları çalışma fırsatı fark varepilepsi hastası. Hill ve ark. Fonksiyonel kortikal haritalama ¹⁶ için hastaların elektrokortikografik (EcoG) sinyallerini kayıt için metodoloji bildirdi. EcoG kayıtları da motorlu-dil bağlantı ¹⁷ içgörü sağladı. Implante derinlik elektrotlar ile hastalar ¹⁸ ve hareket ¹⁹ öğrenme, bellek beyin salınımları incelemek için seyir görevleri gerçekleştirdik. Derinlik elektrot kayıtları ayrıca hipokampus uyarılmış aktivite ^20, default-mod ağ ²¹ sinirsel aktivite ve duygusal işleme ²² zamansal ders olarak aksi ulaşılamaz zamansal çözünürlüğe sahip paradigmaları incelemek için kullanılmıştır. Hudry ark ²³ eşleşen kısa süreli koku uyaranlara onların amigdala içine implante Seeg elektrotlar vardı temporal lob epilepsisi olan hastalarda okudu. Başka bir grup böyle sağlıklı brai el fleksiyon veya elin tek taraflı hareket ya da ayak gibi basit uzuv hareketleri okuduimplante Seeg ^24,25 olan sara hastası n siteleri.

Yukarıda açıklanan çalışmalar literatür çok farklı koleksiyon küçük bir örnekleme. Öğrenmek ve insan beyninin davranış görevleri ve intrakranial kayıtları bir arada kullanarak nasıl çalıştığını anlamak için aşılamaz bir potansiyeli bulunmaktadır. Bu hedefe ulaşmak için başka yöntemler olmakla birlikte, intrakranial kayıtları yüksek zamansal ve mekansal çözünürlük gibi derin yapılara erişim dahil olmak üzere birçok faydaları sahip. Yazarlar davranış görevleri sırasında intrakranial elektrotlarla hastanın kayıt için genel bir metodoloji tarif hedefliyoruz. Ancak, başarılı bir bakım alan hastalarda klinik araştırmaları tamamlayarak çeşitli caydırıcı engeller için vardır. Sınırlamalar, şaşırtıcı etkileri, ve bu araştırmanın önemi de tespit ve incelenecektir.

Protokol

Tüm görevler Cleveland Klinik Vakfı Kurumsal Değerlendirme Kurulu (KİK) gönderilen onaylanmış protokole göre yapılmıştır. Bilgilendirilmiş onam sürecinin tüm araştırma faaliyetlerinde öncesinde her hasta ile gerçekleştirilmiştir. Bu örnekte, stereo-elektroensefalografi Etti çalışma kriterini karşılayan bir konu nöbet için implante (Seeg) elektrotlar seçilir. Proje konu ile tartışıldı ve katılmak anlaştığınız.

1. Hasta Kayıt

1. Intrakranial elektrot implantasyonu için dikkate dirençli epilepsi hastaları değerlendirin. Hasta invaziv cerrahi için iyi bir aday ise, elektrot yerleştirme optimize etmek için, hastanın MR, PET ve MEG nöbet patoloji ile analiz edin. Klinik ekibi tüm değerlendirmeler yapar ve hiçbir karar araştırma amaçlı yapılmaktadır. .
2. Çalışma için uygun hastaların belirlenmesi subsequent implantasyonu için değerlendirilmesi ve içerme / dışlama kriterlerine göre onaylanan KİK protokole göre hasta doğrulayın.
   NOT: Bu dahil edilme kriterleri bir aura ile konularını içeren hastanın yararına. Auralar hastalar eğer nöbet hakkında sahip oldukları araştırmacılar bildirmek edebiliyoruz; gerekli önlemleri almak araştırmacılar ve hasta süre vererek (klinik personeli bilgilendirmek nöbet alarmı basarak ve yolumdan tüm ekipman çekerek). Konular, bir aura var hasta giriş cihazları kolayca hasta alanından ve çıkarılabilir sağlamak olmadığını alınırlar Ancak, personel araştırma ekipmanları ve protokol farkındadır.
3. LRB uyarınca herhangi bir araştırma faaliyetleri öncesinde bilgilendirilmiş olurunu. Aydınlatılmış onam sırasında, katılımın vurgulayan kesinlikle gönüllü ve hiçbir şekilde hastalara klinik bakım etkileyecek, araştırma açıklar. Çoğu orada durumda is doğrudan hastaya yarar ve katılmak için istekli olduklarını fedakar olduğunu.
4. Her zaman hastanın haklarına saygı ve gizliliğinizi korumak. Onların bilgi isimsiz ve gizli kalacaktır hasta hatırlatmak ve onlar hiçbir sonucu altında herhangi bir zamanda çalışmaya katılmayı ateşkes olabilir.
5. Hasta işareti var ve o anlar ve çalışmaya katılmayı kabul ederse bilgilendirilmiş onam tarih. Bırak bir kopyası yorumlayan hasta ile sol; Onlar herhangi bir sorunuz varsa veya endişeniz PI irtibata hastaları teşvik etmelidir.

2. Davranış Sistemi Kurulumu

1. Odasına ekipman getirmeden önce, gerekli çıkışları (2) için yeterli hastanın odasında alan, yanı sıra erişim olmasını sağlamak.
2. Tüm ekipman ve telleri set up hızlandırmak için hazır olup olmadığını kontrol edin. Davranışsal sistemi FDA Devam için konuyu verir robot kolu (onaylı içerirrol görevi sırasında imleç), bir dizüstü bilgisayar davranışsal programı, görev uyaranları sunmak için bir monitör, ve elektrofizyolojik ve davranışsal veri depolamak için bir veri toplama sistemini kontrol etmek.
   NOT: Kişinin özel araştırma gereksinimlerini karşılamak için gerekli değişiklikleri yapın. Örneğin, hasta arabirimi yerine robot kolu için bir düğme kutusuna.
3. Hasta şu anda, görevi tamamlamak kolları ile sandalyeden (veya yatağa) için hastaya yardımcı uygun bir şekilde konumlandırılmış değilse, bir nöbet olmalıdır.
   Bu olabilir Bu grup hastalar ile etkileşim nasıl, neler oluyor onları bilgilendirmek için izleme ünitesi tüm üyeleri ile vb çalışma tasarımı, ekipman, tartışmak için iyi bir fikir olduğunu ve olası sorunlar: NOT ortaya çıkar.
4. Hasta hazır olduğunda, odasına davranışsal sistemini getirmek ve davranışsal sistemi ve robotik kol açılırken başlar.
5. Dijital olay marke iletişimezaman için elektrofizyolojik kazanım sistemi DC kanallarına davranışsal bilgisayardan R çıkış işaretleri davranışsal etkinlik ile kaydedilen sinyalleri Seeg kilitlenir.
   NOT: Bu merkezde klinik toplama sistemi ile karışmaz araştırma amaçlı, için belirlenmiş ayrı bir elektrofizyolojik kazanım sistemi vardır. Bununla birlikte, uygun bir personel ile çalışarak klinik sağlama sistemi kullanmak mümkündür. Tüm çabalar klinik satın bozmaya değil yapılmalıdır.
6. Robot kolu kalibre ve böyle hareket aralığı hasta için rahat olduğunu yerleştirin. Başka bir arabirim aygıtı kullanarak, ekipman doğru çalıştığını ve konu kullanmak için rahat konumlandırılmış emin olun.
7. Robot kollarını kullanarak, acil durdurma düğmeleri davranışsal görev boyunca araştırmacılar tarafından kolayca erişilebilir olduğundan emin olun. Bir nöbet durumunda, acil stop butonupreslenmiş ve kendilerini zarar vermez, böylece ekipman hastadan uzak çekilir. Ayrıca, bir nöbet oluşması durumunda hastadan çıkarılmasını kolaylaştırmak için robot sistemi ile gelen cırt bantlarını kullanmayın.
   NOT: Bu örnekte, davranış teçhizat paralel port, bir paralel port kablosu kullanarak toplama sisteminin dijital giriş portuna bağlanır. Bu robot kolun x ve y konumu gibi ek analog sinyalleri eş zamanlı olarak kaydediliyor.

3. Davranış Görev

1. Arayüz cihazın kurmak teçhizat ve kalibrasyon tamamlanmasının ardından hastaya görevi açıklar.
2. "Savaş" çocuk kart oyunu benzer bir davranış görevi kullanın. Onların kart bilgisayarın kartı daha büyük olup olmadığı gibi bahisler yapmak için hasta isteyin. Bahsin seçimi kendi kartı nispi değerinin hastaların algı dayanmaktadır. T basitleştirinSadece bir takımdan kartlarını kullanarak ve 2, 4, 6, 8, ve 10 numaralı kartları güverte sınırlayarak, sonraki analiz için isteyin.
3. 350 milisaniye boyunca ekranda sabitleme işaret göster. Hasta görevi başlatmak için tespit işareti üzerinde imleci tutar emin olun.
4. 1000 msn için uyaran göster. Aşağı yüz yanındaki hasta bilgisayarın kartı ile kart görmek için izin verin.
5. Kartları kaybolması ardından, bir go-isteka (<5.000 msn) kendi kartına göre ya 5 $ veya 20 $, bahis hastayı soran, iki seçenek görüntüleniyor göstermektedir. Seçtikleri bahiste üzerinde robot kolu kullanarak imleci hareket ettirerek bahis için hasta isteyin. Konumuna dayalı hiçbir önyargı sağlamak için deneme yargılanma bahis pozisyonunu rastgele.
6. (- 1.250 msn 1.000) bilgisayarın kartı vahiy ardından 500 milisaniye gecikme (boş ekran), - bahse seçildikten sonra, bir 250 fark. , Deneme kazanmak olup olmadığını, sonuçlarını (1000 msn) gözlemlemek kaybetmek veya çizin vene kadar kazandı veya kaybetti.
7. Onların performans eminiz ve hiçbir sorunuz kadar hasta uygulamaya izin ver.

4. Veri Toplama

1. Hasta hazır olduğunda verileri kaydetmek ve araştırma (veya klinik) kazanım sistemi üzerindeki ayarları gerektiği seçili olduğunu doğrulayın.
2. Kayıt sırasında minimuma arka plan gürültü tutmak için oda ışıkları ve televizyonu kapatın. Ayrıca, bu tür, onların ayak dokunarak konuşurken ya da bacaklarını sallayarak gibi davranışların kaçınmaya hasta isteyebilir.
3. Görevi başlayın ve görevi yerine hastayı kaydedin. 30 dakika boyunca görevi gerçekleştirmek için konuyu isteyin. Robot kol sisteminin örnekleme hızı 1 KHz ve Seeg kayıt sisteminin bu 2 KHz.
   NOT: Bu süre diğer paradigmaları için farklı olabilir.

5. Veri Analizi

1. İlk olarak, sağlamak için kaydedilen veriyi ters-Seeg tanımlamıştır hastanın informagizlidir kalır ve onun / onu veriler anonim teslim olduğunu.
2. Postoperatif BT ve preoperatif MR gelen elektrot konumları koordinatlarını edinin.
3. Davranışsal görevden çıkarlarının dijital damgaları ile nörofizyolojik kayıtları hizalayın.
4. Olay bağımlı beyin aktivitesinin modülasyonu analiz etmek için sinyal analiz yöntemleri uygulayın.
   NOT: Bu çalışmada, Seeg sinyalleri ilgili olayın güç spektral yoğunluğu (PSD) Chronux multitaper araç kutusu ^26,27 kullanılarak hesaplandı. Her çalışma verileri, ilgili olaya göre (zaman sıfır) ile uyumlu, ve hesaplanan PSD temel PSD göre her frekans bin normalize edildi.

Sonuçlar

Bu sonuçlara biz Savaşı Görevi oynarken bir konu yakalanan limbik sistemden Seeg verilerin analizini sunuyoruz. Limbik sistem (Şekil 1) - (150 Hz 40) modülasyonu Biz Savaş Görev çeşitli yönleri önemli gama-bant uyandırabilir kanıtlaması. Ne olursa olsun görev olumsallık, görsel korteks, hızlı bir gecikme olarak ekran sonuçları üzerinde bir nesnenin sunumu (~ 200 msn) geniş bant yanıtı görüldüğü gibi. Buna ek olarak, ödüllendirilmesi denemeler ile karşılaştırıldığ?...

Tartışmalar

İşte biz onlar davranışsal görev meşgul olarak insanlarda intrakranial elektrofizyolojik çalışmalar yapmak için bir yöntem sundu. Bu metodoloji ve basit permütasyon insan hareketini ve biliş incelemek için önemlidir. Doğal herhangi bir tekniğin avantaj ve dezavantajları vardır iken, intrakranial elektrotlar kayıt diğer elektrofizyolojik ve görüntüleme teknikleri üzerinde avantajlara sahiptir. Büyük avantajlarından İki daha iyi kontrol ve davranış görevleri tasarımı ile yüksek kalitede ...

Malzemeler

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