Summary

ביצוע משימות התנהגות בנושאים עם אלקטרודות תוך גולגולתי

Published: October 02, 2014
doi:

Summary

חולים מושתלים עם אלקטרודות תוך גולגולתי מספקים הזדמנות ייחודית להקלטת נתונים נוירולוגית ממספר האזורים במוח בזמן שהמטופל מבצע משימות התנהגותיות. כאן, אנו מציגים שיטה של ​​הקלטה מחולים מושתלים שיכול להיות לשחזור במוסדות אחרים עם גישה לאוכלוסיית חולים זו.

Abstract

לחולים שיש שתלי אלקטרודה סטריאו electroencephalography אלקטרודה (Seeg), רשת או עומק subdural רב של אלקטרודות מושתלות באזורים שונים של המוח שלהם ללוקליזציה של מוקד התפיסה ובאזורים רהוטים. לאחר השתלה, החולה חייב להישאר בבית החולים עד שהאזור פתולוגית של המוח נמצא, ואולי עבר כריתה. במהלך תקופה זו, חולים אלה מציעים הזדמנות ייחודית לקהילת המחקר כי כל מספר של פרדיגמות התנהגות יכול להתבצע לחשוף העצבי קושר שמדריך התנהגות. כאן אנו מציגים שיטת רישום פעילות מוח משתלים תוך גולגולתי כנתינים לבצע משימה התנהגותית שנועדה להעריך את קבלת החלטות וקידוד גמול. כל נתוני אלקטרו מאלקטרודות תוך גולגולתי נרשמים במהלך המשימה התנהגותית, המאפשרים הבדיקה של אזורי המוח הרבים המעורבים בפונקציה אחת בזמן הקשקשים רלוונטיים להתנהגות.יתר על כן, ו, חולים אנושיים יכולים ללמוד שלא כמו מחקרים בבעלי חיים במגוון רחב של משימות התנהגותיות במהירות, המאפשר את היכולת לבצע משימה אחת או יותר באותו הנושא או לבקרת ביצוע. למרות יתרונות הרבים של שיטה זו להבנת תפקוד מוח אנושי, יש גם מגבלות מתודולוגיות שאנו דנים, ובכלל זה גורמים סביבתיים, השפעות משכך כאבים, אילוצי זמן והקלטות מהרקמה חולה. שיטה זו עשויה להיות מיושמת בקלות על ידי כל מוסד שמבצע הערכות תוך גולגולתי; מתן ההזדמנות לבחון באופן ישיר את תפקוד מוח אנושי במהלך התנהגות.

Introduction

אפילפסיה היא אחת ההפרעות השכיחות ביותר במוח, המתאפיינת בהתקפים חוזרים ונשנים באופן כרוני כתוצאה מהתפרקויות חשמליות חריגות מקבוצות של תאי עצב. אפילפסיה משפיעה על 50 מיליון אנשים ברחבי העולם וכ 40% מכלל האנשים עם אפילפסיה יש התקפים סוררים שלא יכול לגמרי להיות נשלטו על ידי טיפול רפואי 1. ניתוח עלול לגרום למצב חופשי תפיסה אם אזורי המוח אחראים על הדור של התקפים (אזור epileptogenic – EZ) הם מקומיים ומוסר בניתוח או מנותק. על מנת להגדיר את המיקום האנטומי של EZ וקרבתו לאזורים בקליפת המוח רהוטים וקורטיקליים אפשריים, מערך של כלים לא פולשנית זמין: ניתוח semiology תפיסה, הקלטות וידאו-קרקפת electroencephalographic (ictal והקלטות interictal), בדיקה נוירופסיכולוגיים , מגנט (MEG) וMRI 2. כאשר הנתונים לא פולשנית אינם מספיקים כדי precisely להגדיר את המיקום של EZ היפותטי, כאשר יש חשד למעורבות המוקדמת של קליפת המוח הרהוט ואזורים קורטיקליים או כאשר קיימת האפשרות להתקפים רב מוקדי, ייתכן שיהיה צורך ניטור פולשני כרוני 3,4.

שיטות של ניטור פולשני כרוני להגדרת המיקום וגבולות של EZ עשוי לכלול רשתות subdural ורצועות, עם אלקטרודות המונחות על פני השטח של המוח, והמערכה סטריאו-electroencephalography (Seeg), כאשר אלקטרודות עומק רבות ממוקמות במוח בשלושה אופנה ממדית. הקלטות תוך גולגולתי subdural בתחילה דווחו ב1939 כאשר פנפילד ועמיתיו השתמשו באלקטרודות מגע יחידים אפידורל בחולה עם שבר זמני-הקודקודית שמאלי ישן וpneumoencephalography שייחשף ניוון מוחי מפוזר 5. בהמשך לכך, השימוש במערכי גריד subdural הפכו פופולריים יותר לאחר פרסומים רבים במהלך -1980 הפגינובטיחות ויעילות 6. שיטת Seeg פותחה ופופולרי בצרפת על ידי ז'אן Tailarach וז'אן Bancaud במהלך -50 וכבר משמשת בעיקר בצרפת ואיטליה כשיטת בחירה של מיפוי פולשנית באפילפסיה מוקד עקשן 7-9.

עיקרון Seeg מבוסס על מתאמי anatomo-אלקטרו קליני, אשר לוקח כעיקרון המרכזי שלה ארגון מרחב והזמן 3 ממדים של פריקת אפילפטי במוח במתאם עם semiology תפיסה. אסטרטגית ההשתלה היא אישית, עם מיקום האלקטרודה המבוססת על השערת preimplantation שלוקח בחשבון את הארגון העיקרי של פעילות epileptiform ורשת אפילפסיה היפותטי מעורבת בהתפשטות של התקפים. על פי כמה דיווחים בצפון אמריקה אירופה והאחרונים, מתודולוגיה Seeg מאפשרת הקלטות מדויקות ממבנים בקליפת המוח וקורטיקליים עמוקים, והנה לא רציפים מרוביםBES, וחקירות בין שתי המדינות, תוך הימנעות את הצורך בcraniotomies הגדול 10-15. לאחר מכן, תמונות לאחר ניתוח נלקחות כדי לקבל את העמדה האנטומי המדויקת של אלקטרודות מושתלות. בהמשך לכך, תקופת מעקב מתחיל שבחולים יישארו בבית החולים לתקופה של 1 עד 4 שבועות כדי לתעד את פעילות interictal וictal מאלקטרודות המושתלת. תקופת מעקב זה היא זמן מתאים לחקר תפקוד מוח באמצעות ניתוח Seeg הקשור לאירוע, שכן אין תוספת סיכון והמטופל בדרך כלל רואה במחקר כדחייה מבורכת מתקופת המעקב השגרתית. ההקלטות זכו מאלקטרודות תוך גולגולתי אינן חיוניות רק להערכה וטיפול בחולי אפילפסיה השתפרה, אלא גם מספקות הזדמנות יוצאת דופן ללמוד את פעילות מוח אנושית במהלך פרדיגמות התנהגות.

כמה חוקרים כבר הבינו את ההזדמנות ללמוד הקלטות פולשנית מחולי אפילפסיה. היל et al. דיווח על המתודולוגיה להקלטת אותות electrocorticographic (ECOG) מחולים למיפוי קליפת המוח תפקודי 16. גם הקלטות ECOG סיפקו תובנה לצימוד מנוע בשפת 17. חולים עם אלקטרודות עומק מושתלים ביצעו משימות ניווט ללמוד תנודות מוח בזיכרון, למידת 18 ותנועת 19. הקלטות אלקטרודה עומק שמשו גם ללמוד פרדיגמות עם רזולוציה של זמן אחר בלתי ניתנת להשגה, כגון פעילות בהיפוקמפוס עוררה 20, פעילות עצבית ברשת ברירת מחדל במצב 21, וכמובן הזמני של עיבוד רגשי 22. Hudry et al למד חולים עם אפילפסיה של אונה הרקתית שהייתה להם אלקטרודות Seeg מושתלות לתוך האמיגדלה שלהם לגירויי חוש הריח לטווח קצר 23 התאמה. קבוצה נוספת שלמדה תנועות גפיים פשוטות כגון יד כיפוף או תנועה חד צדדית של היד או רגל בbrai הבריאאתרי n מחולי אפילפסיה עם Seeg המושתל 24,25.

המחקרים שתוארו לעיל הם דגימה קטנה של אוסף מאוד מגוון של ספרות רלוונטית. קיים פוטנציאל בלתי עביר כדי ללמוד ולהבין כיצד פועל המוח האנושי באמצעות שילוב של משימות התנהגותיות והקלטות תוך גולגולתי. אמנם יש שיטות אחרות להשגת מטרה זו, הקלטות תוך גולגולתי יש מספר יתרונות, כולל רזולוציה של זמן ומרחב גבוהה, כמו גם גישה למבנים עמוקים יותר. המחברים שואפים לתאר את המתודולוגיה הכללית להקלטה מחולים עם אלקטרודות תוך גולגולתי במהלך משימות התנהגותיות. עם זאת, יש כמה גורמים מרתיעים וחסמים להשלמת מחקר קליני בחולים שקבלו טיפול בהצלחה. מגבלות, תופעות של בלבול, ומשמעות של מחקר זה יהיו גם להיות מזוהה וחקרו.

Protocol

כל המשימות בוצעו על פי פרוטוקול שאושר על שהוגש לדירקטוריון הסקירה המוסדי (IRB) של קליבלנד קליניק הקרן. תהליך הסכמה מדעת נערך עם כל מטופל לפני כל פעילות המחקר. בדוגמא זו, נושא שעומד בקריטריון מחקר שיש לו סטריאו electroencephalography אלקטרודות (Seeg) מושתלות לתפיסה נבחרה. הפרויקט נדו…

Representative Results

בתוצאות אלו אנו מציגים הניתוח של נתונים Seeg מהמערכת הלימבית שנתפסה בנושא אחד ששיחק את המשימה המלחמה. אנו יכולים להוכיח כי היבטים שונים של המשימה המלחמה לעורר גמא להקה משמעותית (40 – 150 הרץ) אפנון במערכת הלימבית (איור 1). כפי שניתן לראות, בקליפת המוח הראייתית, תגוב…

Discussion

כאן יש לנו הצגתי שיטה לביצוע מחקרי אלקטרו תוך גולגולתי בבני אדם כפי שהם עוסקים במשימה התנהגותית. מתודולוגיה זו והתמורות פשוטות שלה הן חשובים ללימוד תנועה והכרה אנושיות. בעוד מטבעו קיים יתרונות וחסרונות לכל טכניקה, יש הקלטה מאלקטרודות תוך גולגולתי יתרונות על פני שיט?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה על ידי האפרים-MC3: # 1,137,237 הוענקה לSVS וJTG

Materials

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/s Low-Cost Multifunction DAQ

References

  1. Rosenow, F., Luders, H. Presurgical evaluation of epilepsy. Brain. 124, 1683-1700 (1093).
  2. Adelson, P. D., et al. Use of subdural grids and strip electrodes to identify a seizure focus in children. Pediatr. Neurosurg. 22 (4), 174-180 (1995).
  3. Jayakar, P. Invasive EEG monitoring in children: When, where, and what. J Clin Neurophysiol. 16, 408-418 (1999).
  4. Almeida, A. N., Martinez, V., Feindel, W. The first case of invasive EEG monitoring for the surgical treatment of epilepsy: Historical significance and context. Epilepsia. 46, 1082-1085 (2005).
  5. Dinner, D. S., Luders, H. O., Klem, G. Chronic electrocorticography: Cleveland clinic experience. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. , 58-69 (1998).
  6. Bancaud, J., et al. Functional Stereotaxic Exploration (Seeg) of Epilepsy. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 28, 85 (1970).
  7. Chassoux, F., et al. Intralesional recordings and epileptogenic zone in focal polymicrogyria. Epilepsia. 49, 51-64 (2008).
  8. Lo Russo, G., et al. Focal cortical resection in malformations of cortical development. Epileptic Disord. 5, S115-S123 (2003).
  9. Avanzini, G. Discussion of stereoelectroencephalography. Acta neurologica Scandinavica Supplementum. , 152-170 (1994).
  10. Cossu, M., et al. Stereo-EEG in children. Child Nerv Syst. 22, 766-778 (2006).
  11. Cossu, M., et al. Epilepsy surgery in children: Results and predictors of outcome on seizures. Epilepsia. 49, 65-72 (2008).
  12. Cossu, M., et al. Stereoelectroencephalography in the presurgical evaluation of focal epilepsy in infancy and early childhood Clinical article. J Neurosurg-Pediatr. 9, 290-300 (2012).
  13. Gonzalez-Martinez, J., et al. Stereoelectroencephalography in the "difficult to localize" refractory focal epilepsy: early experience from a North American epilepsy center. Epilepsia. 54, 323-330 (2013).
  14. Vadera, S., et al. Stereoelectroencephalography following subdural grid placement for difficult to localize epilepsy. Neurosurgery. 72, 723-729 (2013).
  15. Hill, N. J., et al. Recording human electrocorticographic (ECoG) signals for neuroscientific research and real-time functional cortical mapping. Journal of visualized experiments : JoVE. , (2012).
  16. Ibanez, A., et al. Motor-language coupling: direct evidence from early Parkinson’s disease and intracranial cortical recordings. Cortex; a journal devoted to the study of the nervous system and behavior. 49, 968-984 (2013).
  17. Caplan, J. B., Madsen, J. R., Raghavachari, S., Kahana, M. J. Distinct patterns of brain oscillations underlie two basic parameters of human maze learning. J Neurophysiol. 86, 368-380 (2001).
  18. Watrous, A. J., Fried, I., Ekstrom, A. D. Behavioral correlates of human hippocampal delta and theta oscillations during navigation. J Neurophysiol. 105, 1747-1755 (2011).
  19. Roman, R., et al. Hippocampal negative event-related potential recorded in humans during a simple sensorimotor task occurs independently of motor execution. Hippocampus. , (2013).
  20. Jerbi, K., et al. Exploring the electrophysiological correlates of the default-mode network with intracerebral EEG. Front Syst Neurosci. 4, 27 (2010).
  21. Krolak-Salmon, P., Henaff, M. A., Vighetto, A., Bertrand, O., Mauguiere, F. Early amygdala reaction to fear spreading in occipital, temporal, and frontal cortex: a depth electrode ERP study in human. Neuron. 42, 665-676 (2004).
  22. Hudry, J., Perrin, F., Ryvlin, P., Mauguiere, F., Royet, J. P. Olfactory short-term memory and related amygdala recordings in patients with temporal lobe epilepsy. Brain. 126, 1851-1863 (2003).
  23. Rektor, I., Bares, M., Kubova, D. Movement-related potentials in the basal ganglia: a SEEG readiness potential study. Clin Neurophysiol. 112, 2146-2153 (2001).
  24. Rektor, I., Louvel, J., Lamarche, M. Intracerebral recording of potentials accompanying simple limb movements: a SEEG study in epileptic patients. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 107, 277-286 (1998).
  25. Mitra, P., Bokil, H. . Observed Brain Dynamics. , (2008).
  26. Lachaux, J. P., Axmacher, N., Mormann, F., Halgren, E., Crone, N. E. High-frequency neural activity and human cognition: past, present and possible future of intracranial EEG research. Progress in neurobiology. 98, 279-301 (2012).
  27. Rogers, R. D., et al. Choosing between small, likely rewards and large, unlikely rewards activates inferior and orbital prefrontal cortex. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 19, 9029-9038 (1999).
  28. Lachaux, J. -. P., Axmacher, N., Mormann, F., Halgren, E., Crone, N. E. High-frequency neural activity and human cognition: Past, present and possible future of intracranial EEG research. Prog. Neurobiol. 98, 279-301 (2012).
  29. Gale, J. T., Martinez-Rubio, C., Sheth, S. A., Eskandar, E. N. Intra-operative behavioral tasks in awake humans undergoing deep brain stimulation surgery. Journal of visualized experiments : JoVE. , (2011).

Play Video

Cite This Article
Johnson, M. A., Thompson, S., Gonzalez-Martinez, J., Park, H., Bulacio, J., Najm, I., Kahn, K., Kerr, M., Sarma, S. V., Gale, J. T. Performing Behavioral Tasks in Subjects with Intracranial Electrodes. J. Vis. Exp. (92), e51947, doi:10.3791/51947 (2014).

View Video