JoVE Journal > Behavior
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
العربية

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Behavior

جنبا إلى جنب الغازية تحت القشرية وغير الغازية السطحية العصبية تسجيلات لتقييم المعرفية والعاطفية وظائف في البشر

Published: May 19, 2016
doi:
10.3791/53466
, , , , , , ,
1Institute of Clinical Neuroscience and Medical Psychology,Medical Faculty, Heinrich-Heine-University, 2Department of Neurology, Center for Movement Disorders and Neuromodulation,University Clinic Düsseldorf, 3Department of Neurosurgery, Functional Neurosurgery and Stereotaxy, Center for Movement Disorders and Neuromodulation,University Clinic Düsseldorf

Summary

The present protocol aims at assessing cognitive-emotional functions in the basal ganglia by simultaneous neurophysiological recording of local field potentials and non-invasive brain cortical activity (EEG). The procedure is exemplified by the use of paradigms involving speech stimuli with emotional connotation or the Flanker task involving cognitive control.

Abstract

وعلى الرغم من نجاح في تطبيق غير الغازية كهربية (EEG)، مغناطيسي، تصوير الدماغ (MEG) والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) لاستخراج معلومات مهمة حول آلية الدماغ البشري، لا تزال هذه الأساليب غير كافية لتوفير المعلومات حول الفسيولوجية العمليات التي تعكس الوظائف المعرفية والعاطفية على المستوى تحت القشرية. في هذا الصدد، والنهج السريرية الغازية الحديثة في البشر، مثل التحفيز العميق للدماغ (DBS)، توفر إمكانية هائلة لتسجيل نشاط الدماغ تحت القشرية، امكانات الحقل هما المحلية (LFPs) تمثل النشاط متماسك المجالس العصبية من العقد القاعدية المحلية أو المناطق مهادي . على الرغم من أن يتم تطبيق النهج الغازية في البشر إلا بعد إشارة الطبي وتتوافق البيانات وبالتالي سجلت في الدوائر الكهربائية في المخ تتغير معلومات قيمة يمكن الحصول عليها بشأن وجود وظائف الدماغ سليمة فيما يتعلق متذبذبة الدماغالنشاط والفيزيولوجيا المرضية لاضطرابات ردا على النماذج المعرفية التجريبية. وفي هذا الاتجاه، فإن عددا متزايدا من الدراسات DBS في المرضى الذين يعانون من مرض باركنسون (PD) تستهدف الوظائف الحركية فحسب، بل أيضا عمليات مستوى أعلى مثل العواطف، واتخاذ القرارات، والانتباه والذاكرة والإدراك الحسي. تؤكد التجارب السريرية الأخيرة أيضا دور DBS كعلاج بديل في الاضطرابات العصبية والنفسية التي تتراوح بين اضطراب الوسواس القهري (OCD) إلى الاضطرابات المزمنة للوعي (DOC). ونتيجة لذلك، ونحن نركز على استخدام (EEG) تسجيلات الدماغ البشري الغازية (LFP) وغير الغازية مجتمعة في تقييم دور هياكل القشرية تحت القشرية في النماذج التجريبية تجهيز الحوض المعرفية والعاطفية (مثل المحفزات الكلام مع دلالة عاطفية أو النماذج السيطرة الإدراكية مثل هذه المهمة حامي جناح الجيش)، للمرضى الذين يخضعون للعلاج DBS.

Introduction

التسجيلات العصبية الغازية في البشر تعود إلى الدراسات الأصيلة التي تستهدف التسجيلات electrocorticographic من المناطق القشرية والمخيخ خلال جراحة الصرع والبحوث ورم 1. وثمة حدثا بالغ الأهمية في مزيد من تطوير إجراءات تسجيل تلك الدول في إدخال تقنية المجسم الذي يوفر الوصول الآمن والفعال لالبنى العميقة للدماغ الإنسان 2. وبصرف النظر عن العلاج السريري، والنهج الغازية الدماغ في البشر توفر فرصة فريدة من نوعها وليس لدراسة وظائف المخ فيما يتعلق أنماط النشاط سجلت عن طريق التضمين مؤثرات الخارجية، ولا سيما قضية التسجيلات الغازية البينية وبعد الجراحة في المرضى الذين يخضعون التحفيز العميق الدماغ (DBS ) إجراءات. وقد تناولت تطبيق وفائدة DBS في مختلف الأمراض العصبية والنفسية العصبية من مرض باركنسون (PD) لاضطراب الوسواس القهري (OCD) أو شروط مثل CHROاضطرابات شركة الاستثمارات الوطنية من الوعي (DOC).

على وجه الخصوص، وقد تم تطبيق DBS في علاج مرض باركنسون 3،4،5، ورعاش أساسي 6 والابتدائي / المعمم قطعي خلل التوتر 7،8،9، هنتنغتون المرض 10،11، المقاوم للعلاج للاكتئاب 12،13، النيكوتين وإدمان الكحول 14 ومرض الزهايمر 15،16، توريت متلازمة 17 و اضطراب مزمن في وعيه (DOC) 18،19،20.

في نطاق العصبية، DBS هو بعلامات م / العلاج المعتمدة لاضطراب الوسواس القهري (OCD) تستهدف الطرف الأمامي للكبسولة الداخلية (ALIC) وقيد الاستخدام استهداف بطني كبسولة / بطني المخطط / المذنبة بطني (VC / VS)، النواة المتكئة (بريدا) ونواة تحت المهاد (STN) 21. وفيما يتعلق DBS في الوسواس القهري 22، وتؤكد الدراسات الحديثة دور STN في آلية الاختيار القهريجي من خلال استخدام الذاكرة المستندة إلى النماذج 23،24،25.

وقد أكد الجدير بالذكر، تعديل من نشاط المخ تحت تأثير النماذج مع دلالة المعرفية والعاطفية في DOC 26،27،28،29. وبالتالي، يتم تمييز DBS ليس فقط كعلاج المحتملين لDOC المزمن، ولكن أيضا كإجراء السريرية التي تفتح إمكانية دراسة تعديل النشاط تحت القشرية عن طريق تسجيل امكانات الحقل المحلية (LFP) من المناطق داخل ومرحلة ما بعد مهادي المركزية الجراحة.

في DBS، ويستند زرع جراحة الأعصاب من الأقطاب الكهربائية على تقنية المجسم الذي يمثل بأمان لقيود تشريحية في الدماغ، في حين يتم تخصيص تحفيز المريض من خلال البينية المنطوق الاختبارات دفعة التحفيز. تسجيل LFP بعد العملية ممكن بعد زرع الأولي من أقطاب DBS وقبل استيعاب مولد دفعة. على وجه الخصوص، هذا البروتوكول هو كمبيترد على التسجيلات اللاحقة للعمليات الجراحية.

في تركيبة مع LFPs، وقت واحد تسجيل نشاط الدماغ القشرية ويمكن تحقيق ذلك مثلا عن طريق كهربية غير الغازية (EEG) أو الدماغ المغناطيسي (MEG) 30،31. ويدعم هذه طريقتين غير الغازية بسبب قراره وقت ممتاز. في حين MEG أقل تأثرا من مجموعة الإمارات للبيئة عن طريق الآثار الجمجمة 32، EEG يبدو مفيدا لأنه أقل تأثرا من قبل القطع الأثرية التي تسببها يزرع المعدنية وحركات الرأس ويمكن استخدامه في المريض سرير جانب 33. قبل وقت واحد تسجيل من نشاط الدماغ القشرية تحت القشرية (LFP وEEG / MEG) ردا على نماذج العاطفية المعرفية التطبيقية، ويمكن إنشاء علاقات مختلفة بين التذبذبات الدماغ والسلوك على أساس اقتران وقت التردد يحلل 34. في المقابل، يمكن لهذه الأنماط يؤدي إلى المؤشرات الحيوية المحتملة المعرفي الفردي المريض والحالات العاطفية وسptimization من المعلمات العلاج النظر عن إعدادات فردية.

الأهداف التالية بروتوكول الغازية وتسجيل العصبي غير الغازية في البشر لتقييم الوظائف المعرفية والعاطفية، وتحديدا على مستوى القشرية وتحت القشرية (EEG وLFPs).

أولا، الخطوات تسجيل العصبية هو موضح في الفيديو، الذي يرافق هذا البروتوكول، تتوافق مع تسجيل مع مثال المريض مع اضطراب حركة الذي يقوم بإجراء ما يسمى مهمة حامي جناح الجيش (مثال 1).

الثانية، وتناقش الخطوات في البروتوكول من خلال التركيز على منهجية التحليل وعينة النتائج المأخوذة من مثال DBS نشرت في DOC المزمن 26 (مثال 2).

هذين المثالين تسلط الضوء على تطبيق البروتوكول المقترح إلى المرضى الذين عولجوا DBS مع اضطرابات مختلفة ومختلف النماذج التجريبية.

Protocol

تمت الموافقة على إجراء DBS والتسجيلات الغازية من قبل لجنة الأخلاقيات في مستشفى جامعة دوسلدورف، ألمانيا. 1. التجريبية بارادايم التصميم والموافقة المريض ملاحظة: قم بتصميم النموذج التجريبي أو تحد…

Representative Results

وبالنسبة لحالة DBS-DOC (مثال 2)، ونحن الآن تقديم بيانات عن التوطين المستهدفة لDBS زرع، وضعت الرسوم التخطيطية للأندية الكهربائي وEEG حتى والتسجيلات المثالية مجموعة الإمارات للبيئة وLFP النشاط (البيانات الخام)، وتحليل النتائج التمثيلية: <p class="jove_content" fo:keep-t…

Discussion

وعلى النقيض من تقنيات التسجيل الدماغ غير الغازية مثل فروة الرأس، EEG وMEG، يوفر الإطار تسجيل المقترحة مجتمعة الغازية وغير الغازية العصبي فرصة رائعة لاستخراج المعلومات من المناطق القشرية وتحت القشرية فيما يتعلق المهام المعرفية والعاطفي. وتنعكس هذه المعلومات من حيث نو?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

وأيد هذا العمل من قبل إيرانيت NEURON / BMBF ألمانيا (تيمون). وتغطي رسوم النشر عن طريق منحة من دوسلدورف مستشفى الجامعة. تم تعديل مهمة حامي جناح الجيش المستخدمة هنا عن النسخة مبرمجة في البداية من قبل البروفيسور جيم أفضل ومجموعته 47.

Materials

BrainAmp Amplifier Brain Products GmbH, Gilching Germany Quantity: 2
BrainVision Recorder Software Brain Products GmbH, Gilching Germany 1 License 
BrainVision Analyzer Software  Brain Products GmbH, Gilching Germany 1 License 
Fiber Optic cables and USB connectors Brain Products GmbH, Gilching Germany These come with the above listed equipment
Electrode Input box (64 channels) Brain Products GmbH, Gilching Germany Quantity: 1
EEG gel  Natus Inc Quantity: 1
Isopropyl alcohol Schülke & Mayr GmbH, Germany Quantity: 1
Skin preparation gel Weaver and Co, USA Quantity: 1
MATLAB   Math-Works, Natick, Massachusetts, USA 1 License
FieldTrip toolbox http://www.fieldtriptoolbox.org/ Open Source
INOMED MER system  INOMED Corp., Emmendingen, Germany Quantity: 1
Macroelectrodes (model 3387 quadripolar DBS lead) Medtronic Inc., Minneapolis, MN, USA Quantity: 2
Sterile percutaneous extension wires (model 3550-05)  Medtronic Inc., Minneapolis, MN, USA Quantity: 2
Twist lock cable (model 3550-03)  Medtronic Inc., Minneapolis, MN, USA Quantity: 2
custom made connectors to DIN 428092 touch proof connectors Quantity: 2
Vercise Lead kit DB -2201  Boston Scientific Quantity: 2
Contact extenion kit NM-3138  Boston Scientific Quantity: 2
O.R. cabel & extension SC-4100 A  Boston Scientific Quantity: 2
connector   to touch proof  Twente Medical Systems International B.V. Quantity: 2
CT scanner Modell PQ2000 (Postoperative CT scans) Philips Healthcare GmbH Hamburg Quantity: 1
Presentation Software (Flanker Task) Neurobehavioral systems Inc. 1 License 
MEG System Elekta Neuromag Inc Alternatively
High-density EEG sensor net (128 or 256 channels) Electrical Geodesics Inc (EGI), USA Alternatively
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Foerster, O., Altenburger, H. Elektrobiologische Vorgänge an der menschlichen Hirnrinde. Dtsch. Zschr. Nervenheilk. 135, 277-288 (1934).
  2. Spiegel, E. A., Wycis, H. T., Marks, M., Lee, A. J. Stereotaxic apparatus for operations on the human brain. Science. 106, 349-350 (1947).
  3. Okun, M. S. Deep-Brain Stimulation for Parkinson’s disease. N. Engl. J. Med. 367, 1529-1538 (2012).
  4. Groiss, S. J., Wojtecki, L., Südmeyer, M., Schnitzler, A. Deep Brain Stimulation in Parkinson’s disease. Ther. Adv. Neurol. Disord. 2 (6), 20-28 (2009).
  5. Kalia, S. K., Sankar, T., Lozano, A. M. Deep brain stimulation for Parkinson’s disease and other movement disorders. Curr. Opin. Neurol. 26 (4), 374-380 (2013).
  6. Della Flora, E., Perera, C. L., Cameron, A. L., Maddern, G. J. Deep brain stimulation for essential tremor: a systematic review. Mov. Disord. 25 (11), 1550-1559 (2010).
  7. Volkmann, J., Benecke, R. Deep brain stimulation for dystonia: patient selection and evaluation [Review]. Mov. Disord. 17 (3), 112-115 (2002).
  8. Hu, W., Stead, M. Deep brain stimulation for dystonia. Transl. Neurodegener. 21 (3(1)), (2014).
  9. Mentzel, C. L., Tenback, D. E., Tijssen, M. A., Visser-Vandewalle, V. E., van Harten, P. N. Efficacy and safety of deep brain stimulation in patients with medication-induced tardive dyskinesia and/or dystonia: a systematic review. J. Clin. Psychiatry. 73 (11), 1434-1438 (2012).
  10. Huys, D., et al. Management and outcome of pallidal deep brain stimulation in severe Huntington’s disease. Fortschr. Neurol. Psychiatry. 81, 202-205 (2013).
  11. Hartmann, C. J., Groiss, S. J., Vesper, J., Schnitzler, A., Wojtecki, L. Brain Stimulation in Huntington’s disease. Neurodegener. Dis. Manag. , (2016).
  12. Morishita, T., Fayad, S. M., Higuchi, M. A., Nestor, K. A., Foote, K. D. Deep brain stimulation for treatment-resistant depression: systematic review of clinical outcomes. Neurotherapeutics. 11 (3), 475-484 (2014).
  13. Lakhan, S. E., Callaway, E. Deep brain stimulation for obsessive-compulsive disorder and treatment-resistant depression: systematic review. BMC Res. Notes. 4 (3), 60 (2010).
  14. Luigjes, J., et al. Deep brain stimulation in addiction: a review of potential brain targets. Mol. Psychiatry. 17, 572-583 (2012).
  15. Hardenacke, K., et al. Deep brain stimulation as a tool for improving cognitive functioning in Alzheimer’s dementia: a systematic review. Front. Psychiatry. 4 (159), (2013).
  16. Laxton, A. W., Stone, S., Lozano, A. M. The Neurosurgical Treatment of Alzheimer’s Disease: A Review. Stereotact. Funct. Neurosurg. 92, 269-281 (2014).
  17. Schrock, L. E., et al. Tourette syndrome deep brain stimulation: A review and updated recommendations. Mov. Disord. 30 (4), 448-471 (2015).
  18. Schiff, N. D., et al. Behavioral improvements with thalamic stimulation after severe traumatic brain injury. Nature. 448, 600-603 (2007).
  19. Yamamoto, T., Katayama, Y. Deep brain stimulation therapy for the vegetative state. Neuropsychol. Rehabil. 15, 406-413 (2005).
  20. Yamamoto, T., Kobayashi, K., Kasai, M., Oshima, H., Fukaya, C., Katayama, Y. DBS therapy for the vegetative state and minimally conscious state. Acta Neurochir. Suppl. 93, 101-104 (2005).
  21. Lipsman, N., Giacobbe, P., Lozano, A. M. Deep brain stimulation in obsessive-compulsive disorder: neurocircuitry and clinical. Handb. Clin. Neurol. 116, 245-250 (2013).
  22. Mallet, L., et al. Stimulation of subterritories of the subthalamic nucleus reveals its role in the integration of the emotional and motor aspects of behavior. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 104 (25), 10661-10666 (2007).
  23. Rotge, J. Y., et al. A challenging task for assessment of checking behaviors in obsessive-compulsive disorder. Acta Psychiatr. Scand. 117 (6), 465-473 (2008).
  24. Clair, A. H., et al. Excessive checking for non-anxiogenic stimuli in obsessive-compulsive disorder. Eur. Psychiatry. 28 (8), 507-513 (2013).
  25. Burbaud, P., et al. Neuronal activity correlated with checking behaviour in the subthalamic nucleus of patients with obsessive-compulsive disorder. Brain. 136, 304-317 (2013).
  26. Wojtecki, L., et al. Modulation of central thalamic oscillations during emotional-cognitive processing in chronic disorder of consciousness. Cortex. 60, 94-102 (2014).
  27. Menon, D. K., et al. Cortical processing in persistent vegetative state, Wolfson Brain Imaging Centre Team. Lancet. 352 (200), (1998).
  28. Monti, M. M., et al. Willful modulation of brain activity in disorders of consciousness. New. Engl. J. Med. 362, 579e589 (2010).
  29. Owen, A. M., Coleman, M. R., Boly, M., Davis, M. H., Laureys, S., Pickard, J. D. Detecting awareness in the vegetative state. Science. 313, 1402 (2006).
  30. Hirschmann, J., et al. A direct relationship between oscillatory subthalamic nucleus-cortex coupling and rest tremor in Parkinson’s disease. Brain. 136, 3659-3670 (2013).
  31. Hirschmann, J., et al. Differential modulation of STN-cortical and cortico-muscular coherence by movement and levodopa in Parkinson’s disease. Neuroimage. 68, 203-213 (2013).
  32. Okada, Y., Lähteenmäki, A., Xu, C. Experimental analysis of distortion of magnetoencephalography signals by the skull. Clin. Neurophysiol. 110, 230-238 (1999).
  33. Vaughan, T. M., McFarland, D. J., Schalk, G. The Wadsworth BCI Research and Development Program: at home with BCI. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 14, 229-233 (2006).
  34. Gross, J. Analytical methods and experimental approaches for electrophysiological studies of brain oscillations. J. Neurosci. Methods. 228, 57-66 (2014).
  35. Pivik, R. T., Broughton, R. J., Coppola, R., Davidson, R. J., Fox, N., Nuwer, M. R. Guidelines for the recording and quantitative analysis of electroencephalographic activity in research contexts. Psychophysiology. 30, 547-558 (1993).
  36. Mai, K. M., Assheuer, J. K., Paxinos, G. . Atlas of the human brain (2nd edition). , (2004).
  37. Yelnik, J., et al. A three-dimensional, histological and deformable atlas of the human basal ganglia. I. Atlas construction based on immunohistochemical and MRI data. NeuroImage. 34, 618-638 (2007).
  38. Bardinet, E., et al. A three-dimensional histological atlas of the human basal ganglia. II. Atlas deformation strategy and evaluation in deep brain stimulation for Parkinson disease. J. Neurosurg. 110, 208-219 (2009).
  39. Maris, E., Oostenveld, R. Non-parametric statistical testing of EEG- and MEG-data. J. Neurosci. Methods. 164, 177-190 (2007).
  40. Halliday, D. M., Rosenberg, J. R., Amjad, A. M., Breeze, P., Conway, B. A., Farmer, S. F. A framework for the analysis of mixed time series/point process data-theory and application to the study of physiological tremor, single motor unit discharges and electromyograms. Prog. Biophys. Mol. Biol. 64, 237-278 (1995).
  41. Maris, E., Schoffelen, J. M., Fries, P. Nonparametric statistical testing of coherence differences. J. Neurosci. Methods. 163, 161-175 (2007).
  42. Nolte, G., Bai, O., Wheaton, L., Mari, Z., Vorbach, S., Hallet, M. Indentifying true brain interaction from EEG data using imaginary part of coherency. Clin. Neurophysiol. 115, 2292-2307 (2004).
  43. Ozkurt, T. E., Schnitzler, A. A critical note on the definition of phase-amplitude cross-frequency coupling. J. Neurosci. Methods. 201, 438-443 (2011).
  44. Schutter, D. J., Knyazev, G. G. Cross-frequency coupling of brain oscillations in studying motivation and emotion. Motiv. Emot. 36 (1), 46-54 (2012).
  45. Palva, J. M., Palva, S., Kaila, K. Phase synchrony among neuronal oscillations in the human cortex. J. Neurosci. 25 (15), 3962-3972 (2005).
  46. Oostenveld, R., Fries, P., Maris, E., Schoffelen, J. M. FieldTrip: open source software for advanced analysis of MEG, EEG, and invasive electrophysiological data. Comput. Intell. Neurosci. 156869, (2011).
  47. Beste, C., Mückschel, M., Elben, S., Hartmann, C. J., McIntyre, C. C., Saft, C., Vesper, J., Schnitzler, A., Wojtecki, L. Behavioral and neurophysiological evidence the enhancement of cognitive control under dorsal pallidal deep brain stimulation in Huntington’s disease. Brain. Struct. Funct. 220, 24441-24448 (2015).

Tags

Invasive Subcortical RecordingsNon-invasive Surface Neurophysiological RecordingsCognitive And Emotional FunctionsHuman NeurophysiologyDeep Brain StimulationFlanker TaskDisorders Of ConsciousnessEEGLFPStimulus Presentation10-20 SystemMEG

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Trenado, C., Elben, S., Petri, D., Hirschmann, J., Groiss, S. J., Vesper, J., Schnitzler, A., Wojtecki, L. Combined Invasive Subcortical and Non-invasive Surface Neurophysiological Recordings for the Assessment of Cognitive and Emotional Functions in Humans. J. Vis. Exp. (111), e53466, doi:10.3791/53466 (2016).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image