Gecombineerd Invasieve Subcortical en niet-invasieve Surface Neurofysiologische Opnames voor de evaluatie van cognitieve en emotionele functies in Humans
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
Ondanks het succes van het gebruik van niet-invasieve elektro-encefalogram (EEG), magneto-encefalografie (MEG) en functionele magnetische resonantie (fMRI) voor het onttrekken van essentiële informatie over het mechanisme van het menselijk brein, dergelijke werkwijzen nog ontoereikend om informatie over de fysiologische verstrekken processen als gevolg van cognitieve en emotionele functies op het subcorticale niveau. Hierbij moderne invasieve benaderingen bij mensen, zoals diepe hersenstimulatie (DBS), bieden een enorme mogelijkheid subcorticale hersenactiviteit, namelijk lokale veld potentialen (LFP's) in samenhangende activiteit van neurale eenheden afkomstig gelokaliseerde basale ganglia of thalamische gebieden opnemen . Niettegenstaande invasieve benaderingen bij mensen na medische indicatie worden toegepast en moet dus gegevens beantwoorden gewijzigd hersenen circuits, kunnen waardevol inzicht verkregen over de aanwezigheid van intacte hersenfuncties ten opzichte hersenen oscillerendeactiviteit en de pathofysiologie van aandoeningen als reactie op experimentele cognitieve paradigma. In deze richting, een groeiend aantal DBS studies bij patiënten met de ziekte van Parkinson (PD) richten op niet alleen de motorische functies, maar ook een hoger niveau processen zoals emoties, besluitvorming, aandacht, geheugen en zintuiglijke waarneming. Recente klinische studies benadrukken ook de rol van DBS als een alternatieve behandeling in neuropsychiatrische aandoeningen, variërend van obsessief-compulsieve stoornis (OCS) chronische aandoeningen van het bewustzijn (DOC). Daarom richten we ons op het gebruik van gecombineerde invasieve (LFP) en niet-invasieve (EEG) menselijke hersenen opnames bij de beoordeling van de rol van de corticale-subcorticale structuren in cognitieve en emotionele verwerking trog experimentele paradigma's (bijv. Spraak stimuli met emotionele connotatie of paradigma's van cognitieve controle zoals Flanker taak), voor patiënten die DBS behandeling.
Introduction
Invasieve neurofysiologische opnames bij de mens terug tot baanbrekende studies richten electrocorticographic opnamen van corticale gebieden en de kleine hersenen tijdens epilepsiechirurgie en tumor onderzoek 1. Een belangrijke mijlpaal in de verdere ontwikkeling van dergelijke registratie procedure is de introductie van de stereotactische techniek die veilige en efficiënte toegang tot diepe structuren van het menselijk brein 2 verschaft zijn. Afgezien van de klinische behandeling, hersenen invasieve benaderingen bij de mens te voorzien van een vrij unieke gelegenheid om de hersenfunctie te bestuderen in relatie tot opgenomen activiteit patronen gemoduleerd door externe stimuli, met name het geval van intra- en postoperatieve invasieve opnames bij patiënten die een deep brain stimulation (DBS ) procedures. De toepasbaarheid en het nut van DBS is besproken in diverse neurologische en neuropsychiatrische aandoeningen aan de ziekte van Parkinson (PD) naar compulsieve stoornis (OCS) of aandoeningen zoals Chro obsessiefnic aandoeningen van het bewustzijn (DOC).
In het bijzonder is DBS toegepast bij de behandeling van de ziekte van Parkinson 3,4,5, essentiële tremor 6, primaire / gegeneraliseerde segmentale dystonie 7,8,9, Huntington's ziekte 10,11, therapieresistente depressie 12,13, nicotine en alcoholverslaving 14, de ziekte van 15,16 Alzheimer, het syndroom van Tourette 17 en chronische aandoening van het bewustzijn (DOC) 18,19,20.
Binnen het toepassingsgebied van de neuropsychiatrie, DBS is een goedgekeurd / CE-markering behandeling van obsessief-compulsieve stoornis (OCS) gericht op de voorste onderdeel van de interne capsule (Alic) en in gebruik is gericht op de ventrale capsule / ventrale striatum / ventrale caudatus (VC / VS), nucleus accumbens (NAC) en de subthalamische nucleus (STN) 21. Ten aanzien van DBS bij OCS 22, recente studies benadrukken de rol van STN in het mechanisme van dwangmatig checking door gebruik te maken van het geheugen op basis-paradigma's 23,24,25.
Opmerkelijk modulatie van hersenactiviteit onder invloed van paradigma met cognitieve en emotionele betekenis is benadrukt in DOC 26,27,28,29. Aldus DBS is gemarkeerd niet alleen als potentiële behandeling voor chronische DOC, maar ook als een klinische procedure die opent de mogelijkheid van het bestuderen van de modulatie van subcorticale activiteit door het opnemen van lokale veld potentialen (LFP) van het centrum thalamische gebieden intra- en post- operatief.
In DBS wordt neurochirurgische implantatie van elektroden op basis van de stereotactische techniek die veilig vertegenwoordigt hersenen anatomische beperkingen, terwijl stimulatie patiënt wordt aangepast via intra-operatieve impuls-stimulatie testen. Postoperatieve LFP opname is mogelijk na de eerste implantatie van DBS elektroden en voor internalisering van de impuls generator. In het bijzonder, het huidige protocol is centered op de post-operatieve opnames.
In combinatie met LFP's, kan gelijktijdig opnemen van de corticale hersenactiviteit worden bereikt door bijvoorbeeld niet-invasieve elektro-encefalogram (EEG) of magneto (MEG) 30,31. Deze twee niet-invasieve werkwijzen worden ondersteund vanwege de uitstekende tijdsresolutie. Terwijl MEG minder risico dan EEG van schedel effecten 32, EEG blijkt voordelig omdat het minder last heeft van artefacten veroorzaakt door metalen implantaten en hoofdbewegingen en kan worden gebruikt bij de patiënt bed-side 33. Door het gelijktijdig opnemen van de corticale-subcorticale hersenactiviteit (LFP en EEG / MEG) in reactie op toegepaste emotionele-cognitieve paradigma's, kunnen verschillende relaties tussen hersenen oscillaties en het gedrag worden vastgesteld op basis van de tijd-frequentie koppeling analyses 34. Op zijn beurt zou kunnen dergelijke patronen leiden tot potentiële biomarkers van geïndividualiseerde cognitieve van een patiënt en emotionele toestanden en optimization van de behandeling parameters overweegt individuele instellingen.
Het volgende protocol targets invasieve en niet-invasieve neurofysiologische opname bij de mens voor de beoordeling van de cognitieve en emotionele functies, specifiek op de corticale en subcorticale niveau (EEG en LFP's).
Ten eerste, de neurofysiologische opname stappen geïllustreerd in de video, die de onderhavige protocol vergezelt, overeen met een opname van een voorbeeld patiënt met bewegingsstoornis dat de zogenoemde Flanker taak uitvoert (Voorbeeld 1).
Ten tweede, stappen in het protocol worden besproken door te focussen op de methodologie van de analyse en het monster resultaten uit een gepubliceerde DBS bijvoorbeeld bij chronische DOC 26 (Voorbeeld 2).
Deze twee voorbeelden wijzen op de toepasselijkheid van de voorgestelde protocol om DBS-behandelde patiënten met verschillende aandoeningen en verschillende experimentele paradigma's.
Protocol
Representative Results
Discussion
In tegenstelling tot niet-invasieve brain meettechnieken zoals scalp-EEG en MEG, de voorgestelde gecombineerde invasieve en niet-invasieve neurofysiologische opname kader vormt een opmerkelijke mogelijkheid om informatie van corticale en subcorticale gebieden extract ten opzichte van cognitieve-emotionele taken. Dergelijke informatie wordt weerspiegeld door de hersenen oscillerende activiteit bij meerdere frequentiebanden en verschillende niveaus van de organisatie in relatie tot de hersenen functioneren 44. …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door ERA-NET NEURON / BMBF Duitsland (Tymon). Daaraan verbonden kosten worden gedekt door een subsidie van het Universitair Ziekenhuis van Düsseldorf. De Flanker taak die hier gebruikt werd gewijzigd ten opzichte van de oorspronkelijk geprogrammeerde versie van Prof. C. Beste en zijn groep 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 |
References
- Foerster, O., Altenburger, H. Elektrobiologische Vorgänge an der menschlichen Hirnrinde. Dtsch. Zschr. Nervenheilk. 135, 277-288 (1934).
- Spiegel, E. A., Wycis, H. T., Marks, M., Lee, A. J. Stereotaxic apparatus for operations on the human brain. Science. 106, 349-350 (1947).
- Okun, M. S. Deep-Brain Stimulation for Parkinson’s disease. N. Engl. J. Med. 367, 1529-1538 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- Volkmann, J., Benecke, R. Deep brain stimulation for dystonia: patient selection and evaluation [Review]. Mov. Disord. 17 (3), 112-115 (2002).
- Hu, W., Stead, M. Deep brain stimulation for dystonia. Transl. Neurodegener. 21 (3(1)), (2014).
- 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).
- Huys, D., et al. Management and outcome of pallidal deep brain stimulation in severe Huntington’s disease. Fortschr. Neurol. Psychiatry. 81, 202-205 (2013).
- Hartmann, C. J., Groiss, S. J., Vesper, J., Schnitzler, A., Wojtecki, L. Brain Stimulation in Huntington’s disease. Neurodegener. Dis. Manag. , (2016).
- 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).
- 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).
- Luigjes, J., et al. Deep brain stimulation in addiction: a review of potential brain targets. Mol. Psychiatry. 17, 572-583 (2012).
- 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).
- Laxton, A. W., Stone, S., Lozano, A. M. The Neurosurgical Treatment of Alzheimer’s Disease: A Review. Stereotact. Funct. Neurosurg. 92, 269-281 (2014).
- Schrock, L. E., et al. Tourette syndrome deep brain stimulation: A review and updated recommendations. Mov. Disord. 30 (4), 448-471 (2015).
- Schiff, N. D., et al. Behavioral improvements with thalamic stimulation after severe traumatic brain injury. Nature. 448, 600-603 (2007).
- Yamamoto, T., Katayama, Y. Deep brain stimulation therapy for the vegetative state. Neuropsychol. Rehabil. 15, 406-413 (2005).
- 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).
- Lipsman, N., Giacobbe, P., Lozano, A. M. Deep brain stimulation in obsessive-compulsive disorder: neurocircuitry and clinical. Handb. Clin. Neurol. 116, 245-250 (2013).
- 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).
- 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).
- Clair, A. H., et al. Excessive checking for non-anxiogenic stimuli in obsessive-compulsive disorder. Eur. Psychiatry. 28 (8), 507-513 (2013).
- 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).
- Wojtecki, L., et al. Modulation of central thalamic oscillations during emotional-cognitive processing in chronic disorder of consciousness. Cortex. 60, 94-102 (2014).
- Menon, D. K., et al. Cortical processing in persistent vegetative state, Wolfson Brain Imaging Centre Team. Lancet. 352 (200), (1998).
- Monti, M. M., et al. Willful modulation of brain activity in disorders of consciousness. New. Engl. J. Med. 362, 579e589 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- Okada, Y., Lähteenmäki, A., Xu, C. Experimental analysis of distortion of magnetoencephalography signals by the skull. Clin. Neurophysiol. 110, 230-238 (1999).
- 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).
- Gross, J. Analytical methods and experimental approaches for electrophysiological studies of brain oscillations. J. Neurosci. Methods. 228, 57-66 (2014).
- 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).
- Mai, K. M., Assheuer, J. K., Paxinos, G. . Atlas of the human brain (2nd edition). , (2004).
- 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).
- 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).
- Maris, E., Oostenveld, R. Non-parametric statistical testing of EEG- and MEG-data. J. Neurosci. Methods. 164, 177-190 (2007).
- 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).
- Maris, E., Schoffelen, J. M., Fries, P. Nonparametric statistical testing of coherence differences. J. Neurosci. Methods. 163, 161-175 (2007).
- 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).
- Ozkurt, T. E., Schnitzler, A. A critical note on the definition of phase-amplitude cross-frequency coupling. J. Neurosci. Methods. 201, 438-443 (2011).
- Schutter, D. J., Knyazev, G. G. Cross-frequency coupling of brain oscillations in studying motivation and emotion. Motiv. Emot. 36 (1), 46-54 (2012).
- Palva, J. M., Palva, S., Kaila, K. Phase synchrony among neuronal oscillations in the human cortex. J. Neurosci. 25 (15), 3962-3972 (2005).
- 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).
- 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).
