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

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

İnsanlarda Kombine İnvaziv subkortikal ve Bilişsel Değerlendirme Non-invaziv Yüzey Nörofizyolojik Kayıtlar ve Duygusal Fonksiyonlar

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

İnsan beyninin mekanizması hakkında önemli bilgiler ayıklamak için non-invaziv elektroensefalografi (EEG), manyeto-falografi (MEG) ve fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) uygulayarak başarı rağmen, bu tür yöntemleri fizyolojik hakkında bilgi vermek için yetersiz kalır subkortikal düzeyde bilişsel ve duygusal fonksiyonları yansıtan süreçler. Bu bağlamda, bu tür derin beyin stimülasyonu (DBS) olarak insanlarda çağdaş invaziv klinik yaklaşımlar, subkortikal beyin aktivitesi, lokalize bazal ganglionlar veya talamik bölgelerden nöral meclislerinin tutarlı aktivitesini temsil yani yerel alan potansiyelleri (LFPs) kaydetmek için muazzam bir imkanı sunuyoruz . İnsanlarda invaziv yaklaşımlar tıbbi belirti sonrası ancak zorunlu ve böylece kaydedilen veriler değiştirilmiş beyin devrelerine uygun olmalarına rağmen, beyin değerli bilgi oscillatory göre sağlam beyin fonksiyonlarının varlığı ile ilgili elde edilebiliretkinlik ve deneysel bilişsel paradigmalar yanıt hastalıkların patofizyolojisi. Bu doğrultuda, Parkinson hastalığı (PH) olan hastalarda DBS çalışmalarının giderek artan sayıda motor fonksiyonlarını değil, aynı zamanda duyguların, karar verme, dikkat, bellek ve duyusal algı olarak üst düzey süreçleri sadece hedef. Son klinik çalışmalar da bilinç (DOC), kronik hastalıklara, obsesif kompulsif bozukluk (OKB) arasında değişen nöropsikiyatrik hastalıklarda alternatif tedavi olarak DBS rolünü vurgulamaktadır. Sonuç olarak, biz (bilişsel ve duygusal işleme yalak deneysel paradigmalar kortikal-subkortikal yapıların rolünü değerlendiren kombine invaziv (LFP) ve non-invaziv (EEG) insan beyninin kayıtlarının kullanımına odaklanır örn. Duygusal çağrışım ya da paradigmaları konuşma uyaranlar DBS tedavi gören hastalar için Flanker görev gibi bilişsel kontrolü), evi.

Introduction

İnsanlarda invaziv nörofizyolojik kayıtları epilepsi cerrahisi ve tümör araştırması 1 sırasında elektrokortikografik kortikal alanlar kayıtları ve beyincik hedefleyen seminal çalışmalara uzanmaktadır. Bu tür kayıt prosedürünün daha da geliştirilmesi içine kritik dönüm noktası insan beyninin 2 derin yapıların güvenli ve verimli erişim sağlar stereotaktik tekniğinin tanıtımı olmuştur. Yanı sıra, klinik tedavi, insanlarda beyin invaziv yaklaşımlar (dış uyaranlara, derin beyin stimülasyonu uygulanan hastalarda intra ve post-operatif invaziv kayıtların özellikle dava ile modüle kaydedilen faaliyet kalıpları ile ilgili olarak DBS beyin fonksiyonlarını incelemek için oldukça benzersiz bir fırsat sağlar ) prosedürleri. DBS uygulanabilirliği ve kullanışlılığı kompulsif bozukluk (OKB) veya skorunda gibi koşulları obsesif Parkinson hastalığı (PH) çeşitli nörolojik ve nöropsikiyatrik hastalıklarda ele alınmıştırbilinç (DOC) nic bozuklukları.

Özellikle, DBS Parkinson hastalığı 3,4,5, esansiyel tremor 6, birincil / genelleştirilmiş segmental distoni 7,8,9, Huntington hastalığı 10,11, tedaviye dirençli depresyon-12,13, nikotin tedavisi uygulanmıştır ve alkol bağımlılığı 14, Alzheimer hastalığı 15,16, Tourette sendromu 17 ve bilinç (DOC) kronik bir hastalıktır 18,19,20.

nöropsikiyatrinin kapsamında, DBS obsesif kompulsif bozukluk (OKB) internal kapsül (ALIC) ön ekstremite hedef için onaylı / CE işaretli tedavi ve (ventral kapsül / ventral striatum / ventral kaudat hedef kullanımda VC / olduğunu VS), nükleus akkumbes (Nac) ve subtalamik nükleus (STN) 21. OKB 22 DBS ile ilgili olarak, son çalışmalar kompulsif kontrol mekanizması içine STN rolünü vurgulamakbellek tabanlı-paradigmalar 23,24,25 kullanılarak ing.

Bilişsel ve duygusal çağrışımları ile paradigmaların etkisi altında beyin aktivitesinin Kayda Değer, modülasyon DOC 26,27,28,29 yılında vurgulanmıştır. Böylece, DBS kronik DOC için olası bir tedavi olarak değil, aynı zamanda merkezi talamik bölgelerde içi ve post yerel alan potansiyelleri (LFP) kaydederek subkortikal aktivitenin modülasyonu okuyan olasılığını açılır bir klinik prosedür olarak sadece vurgulanır operatif.

Hastanın uyarım intra-operatif dürtü stimülasyon testleri ile özelleştirilmiş ise DBS, elektrotların beyin cerrahisi implantasyonu, güvenle beyin anatomik kısıtlamalar hesapları stereotaktik teknikle dayanmaktadır. Post-operatif LFP kayıt DBS elektrotlar ilk implantasyon sonrası ve dürtü jeneratör içselleştirilmesi önce mümkündür. Özellikle, mevcut protokol centere olduğunupost-operatif kayıtları d.

LFPs ile birlikte, kortikal beyin aktivitesinin eş zamanlı kayıt non-invaziv elektroensefalografi (EEG) veya manyetoensefalografinin (MEG) 30,31 tarafından, örneğin elde edilebilir. Bu iki non-invaziv yöntemler mükemmel zaman çözünürlüğü nedeniyle desteklenmektedir. MEG kafatası etkileri 32 tarafından EEG daha az etkilenen iken daha az metalik implantlar ve baş hareketlerinin neden olduğu eserler etkilenir ve hastanın yatak tarafı 33 de kullanılabilir, çünkü EEG avantajlı görünmektedir. Uygulanan duygusal-bilişsel paradigmalar yanıt kortikal-subkortikal beyin aktivitesi (LFP ve EEG / MEG) eş zamanlı kayıt olarak, beyin salınımları ve davranış arasındaki farklı ilişkiler Zaman-frekans bağlantı temelinde kurulabilir 34 analiz eder. Buna karşılık, bu tür desenler hastanın bireysel bilişsel adaylarının biyobelirteçleri ve duygusal durumları ve o yol açabilirbireyselleştirilmiş ayarları dikkate tedavi parametrelerinin ptimization.

Özellikle kortikal ve subkortikal düzeyde bilişsel ve duygusal fonksiyon değerlendirilmesi için insanlarda invaziv ve non-invaziv nörofizyolojik kayıt aşağıdaki protokol hedefleri, (EEG ve LFPs).

İlk olarak, mevcut protokolü birlikte video gösterilen nörofizyolojik kayıt adım sözde Flanker görevini yerine hareket bozukluğu (Örnek 1) örnek bir hasta ile, bir kayıt karşılık gelmektedir.

İkinci olarak, protokol adımlar kronik DOC 26 yayımlanmış bir DBS örnek alınan analiz ve numune sonuçlarının (Örnek 2) metodolojisine odaklanarak ele alınmaktadır.

Bu iki örnek, farklı bozuklukları ve çeşitli deneysel paradigmalar ile DBS-tedavi edilen hastalarda önerilen protokolün uygulanabilirliğini vurgulayın.

Protocol

DBS prosedürü ve invaziv kayıtları Üniversite Kliniği Düsseldorf, Almanya Etik Komisyonu tarafından kabul edildi. 1. Deneysel Paradigma Tasarım ve Hasta Onayı NOT: deneysel bir paradigma Tasarım veya ilgi bir bilişsel / duygusal yönü hedef varolan deneysel paradigma seçin. DBS-tedavi yapılacak hastaları seçin. DBS-Hasta çalışmanın dahil edilme kriterlerini karşılayan olmadığını sorun. evet, ilgili bilişsel paradigmanın bir…

Representative Results

DBS-DOC durumunda (Örnek 2) için, şimdi DBS implantasyonu için hedef lokalizasyonu hakkında veri sağlamak, LFP elektrot ile EEG şematik diyagramlar kurmak, EEG ve LFP aktivitesi (ham veri) ve temsilci analiz sonuçlarının örnek kayıtları: Şekil 2A anatomik atlas 36 yansıtılmış planlanan yörünge (siyah çizgi), bölüm 30, koroner gösterir, ön komissür (AC) (kırmızı çizgi: A…

Discussion

Kafa derisi-EEG ve MEG gibi non-invaziv beyin kayıt teknikleri aksine, önerilen kombine invaziv ve non-invaziv nörofizyolojik kayıt çerçevesi bilişsel-duygusal görevlerle ilişkili kortikal ve subkortikal alanlarda bilgi ayıklamak için olağanüstü bir fırsat sunuyor. Bu tür bilgiler 44 işleyen çoklu frekans bantlarında ve beyin ilişkisine dair organizasyonun farklı seviyelerde beyin salınımlı aktivitesi ile yansıtılır. Bizim kayıt çerçevesinde alakalı dahil beyin salınım desenle…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma ERA-NET nöron / BMBF Almanya (Tymon) tarafından desteklenmiştir. Yayın ücretleri Üniversite Hastanesi Düsseldorf bir hibe ile kaplıdır. Burada kullanılan Flanker görev başlangıçta programlanmış Prof. C. Beste tarafından sürümü ve grubu 47 modifiye edildi.

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