Invasiva sottocorticali e superficie non invasiva neurofisiologiche registrazioni per la valutazione delle cognitivo ed emotivo funzioni combinate negli esseri umani
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
Nonostante il successo nell'applicazione elettroencefalografia non invasiva (EEG), magneto-encefalografia (MEG) e la risonanza magnetica funzionale (fMRI) per estrarre informazioni cruciali sul meccanismo del cervello umano, tali metodi restano insufficienti per fornire informazioni sulle fisiologiche processi che riflettono le funzioni cognitive ed emotive a livello subcorticale. A questo proposito, gli approcci clinici invasivi moderni in esseri umani, come la stimolazione cerebrale profonda (DBS), offrono una straordinaria possibilità di registrare l'attività cerebrale sottocorticale, potenziali di campo e cioè locali (LFPs) che rappresentano l'attività coerente delle assemblee neurali da gangli basali localizzati o regioni del talamo . Nonostante il fatto che i metodi invasivi nell'uomo sono applicati solo dopo indicazione medica e dati così registrati corrispondano ai circuiti cerebrali alterati, informazioni preziose può essere acquisita per quanto riguarda la presenza delle funzioni cerebrali intatte in relazione oscillatorio cervellol'attività e la fisiopatologia dei disturbi in risposta a paradigmi cognitivi sperimentali. In questa direzione, un numero crescente di studi DBS in pazienti con malattia di Parkinson (PD) bersaglio non solo le funzioni motorie, ma anche i processi di livello superiore, come le emozioni, il processo decisionale, l'attenzione, la memoria e la percezione sensoriale. Recenti studi clinici sottolineano anche il ruolo di DBS come un trattamento alternativo nei disturbi neuropsichiatrici che vanno dal disturbo ossessivo-compulsivo (OCD) per malattie croniche della coscienza (DOC). Di conseguenza, ci si concentra sull'uso di (EEG) le registrazioni del cervello umano invasive (LFP) e non invasive combinati per valutare il ruolo delle strutture corticali-subcorticale nel trattamento della depressione paradigmi sperimentali cognitivi ed emotivi (ad es. Gli stimoli discorso con connotazione emotiva o paradigmi di controllo cognitivo come il compito Flanker), per i pazienti sottoposti a trattamento DBS.
Introduction
Registrazioni neurofisiologiche invasive sugli esseri umani risalgono agli studi seminali di targeting registrazioni electrocorticographic dalle aree corticali e il cervelletto durante l'intervento chirurgico dell'epilessia e la ricerca del tumore 1. Un passo fondamentale in ulteriore sviluppo di tale procedura di registrazione è stata l'introduzione della tecnica stereotassica che fornisce accesso sicuro ed efficiente di strutture profonde del cervello umano 2. Oltre al trattamento clinico, approcci invasivi cerebrali negli esseri umani offrono un'occasione piuttosto unica per studiare la funzione del cervello in relazione a modelli di attività registrate modulate da stimoli esterni, in particolare il caso di registrazioni invasive intra e post-operatorie in pazienti sottoposti a stimolazione cerebrale profonda (DBS ) procedure. L'applicabilità e l'utilità di DBS è stato affrontato in varie malattie neurologiche e neuropsichiatriche da morbo di Parkinson (PD) al disturbo ossessivo compulsivo (DOC) o condizioni come crodisturbi nic di coscienza (DOC).
In particolare, DBS è stata applicata nel trattamento del morbo di Parkinson 3,4,5, tremore essenziale 6, primario / generalizzata segmentale distonia 7,8,9, malattia di Huntington 10,11, resistente al trattamento-depressione 12,13, nicotina e dipendenza da alcol 14, il morbo di Alzheimer 15,16, la sindrome di Tourette 17 e malattia cronica della coscienza (DOC) 18,19,20.
Nell'ambito di neuropsichiatria, DBS è un / trattamento marchio CE approvato per il disturbo ossessivo-compulsivo (OCD) mira l'arto anteriore della capsula interna (ALIC) ed è in uso mira la ventrale capsula / ventrale striato / caudato ventrale (VC / VS), nucleus accumbens (NAC) e il nucleo subtalamico (STN) 21. Per quanto riguarda la DBS nel DOC 22, recenti studi sottolineano il ruolo di STN nel meccanismo di controllo compulsivoing utilizzando basata su paradigmi di memoria 23,24,25.
Degno di nota, la modulazione di attività cerebrale sotto l'influenza di paradigmi con connotazione cognitivo ed emotivo è stato sottolineato in DOC 26,27,28,29. Così, DBS è evidenziato non solo come trattamento potenziale per DOC cronico, ma anche come una procedura clinica che apre la possibilità di studiare la modulazione dell'attività sottocorticale registrando potenziali di campo locale (LFP) dalle regioni talamiche centrali intra e post operativamente.
In DBS, l'impianto neurochirurgico di elettrodi si basa sulla tecnica stereotassica che rappresenta sicuro cerebrali vincoli anatomici, mentre la stimolazione del paziente è personalizzato attraverso test impulsi di stimolazione intra-operatorie. Post-operatorio registrazione LFP è possibile dopo l'impianto iniziale di elettrodi DBS e prima interiorizzazione del generatore di impulsi. In particolare, il presente protocollo è centered su registrazioni post-operatorie.
In combinazione con LFPs, registrazione simultanea di attività cerebrale corticale può essere raggiunto ad esempio elettroencefalografia non invasiva (EEG) o magnetoencefalografia (MEG) 30,31. Questi due metodi non invasivi sono supportati grazie alla sua risoluzione di ottimo momento. Mentre MEG è meno colpite rispetto EEG dagli effetti del cranio 32, EEG appare vantaggiosa perché è meno influenzata da artefatti causati da impianti metallici e movimenti della testa e può essere usata al paziente bed-side 33. Con registrazione simultanea di attività cerebrale corticale-sottocorticale (LFP e EEG / MEG) in risposta ad applicare paradigmi emotivo-cognitivo, diverse relazioni tra oscillazioni e il comportamento del cervello potrebbero essere stabiliti sulla base di accoppiamento tempo-frequenza analisi 34. A loro volta, tali modelli potrebbero portare a potenziali biomarcatori di cognitiva individuale di un paziente e gli stati emotivi e Optimization di parametri di trattamento in considerazione le impostazioni personalizzate.
I seguenti obiettivi del protocollo invasive e di registrazione neurofisiologica non invasiva negli esseri umani per la valutazione della funzione cognitiva ed emozionale, in particolare a livello corticale e subcorticale (EEG e LFPs).
In primo luogo, la procedura di registrazione neurofisiologici illustrate nel video, che accompagna la presente protocollo, corrispondono ad una registrazione con un esempio paziente con disturbo del movimento che esegue il cosiddetto compito Flanker (Esempio 1).
In secondo luogo, passi nel protocollo sono discussi concentrandosi sulla metodologia dei risultati delle analisi e dei campioni prelevati da un esempio DBS pubblicato in formato DOC cronica 26 (Esempio 2).
Questi due esempi evidenziano l'applicabilità del protocollo proposto ai pazienti DBS-trattati con disturbi diversi e diversi paradigmi sperimentali.
Protocol
Representative Results
Discussion
A differenza di non invasive tecniche di registrazione del cervello, come il cuoio capelluto-EEG e MEG, il quadro di registrazione proposto combinato invasiva e non invasiva neurofisiologico offre una notevole opportunità per estrarre informazioni da aree corticali e sottocorticali in relazione ai compiti cognitivi-emotivo. Tali informazioni si riflette l'attività oscillatoria del cervello a più bande di frequenza e diversi livelli di organizzazione in relazione al funzionamento del cervello 44. schemi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto da ERA-NET NEURON / BMBF Germania (Tymon). costi di pubblicazione sono coperti da una sovvenzione da parte del Hospital Düsseldorf University. Il compito Flanker usata qui è stato modificato dalla versione inizialmente programmato dal Prof. C. Beste e il suo gruppo 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 |
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