Introduction
В последние годы наблюдается повышенный интерес к использованию измерений времени реакции в качестве количественной и неинвазивной способ получения информации о механизмах высокого уровня нейронной принятия решений 1. Один тип времени реакции, которая была широко изучена это время, необходимое для инициирования саккаду на презентации визуального стимула, известный как саккадической латентности. Саккады являются быстрые движения глаз, которые происходят, когда мы быстро перенести наш взгляд с одного места на другое. Они являются наиболее распространенными типами движений глаз мы делаем, происходит на частоте обычно два или три в секунду. Каждый саккада действует решение , чтобы посмотреть на одну реплику в визуальном мире , а не другой 2.
Нервные пути , контролирующие движения глаз, были изучены и достаточно хорошо документированы 3. С помощью чувствительного электронного оборудования, аспекты функции глазодвигательного могут быть точно и objectivelу количественно. Это облегчает детальное изучение самих движений глаз, но и позволяет использовать их в качестве инструмента для исследования других областей нейрофизиологии и патофизиологии.
Измерение движения глаз может дать полезную информацию о болезненных состояниях. Скачкообразных движений глаз в последнее время , к примеру, получили большое внимание в качестве потенциальных биомаркеров при нейродегенеративных расстройств , в том числе заболеваний Хантингтона 4,5 и болезнь Паркинсона 6,7, и хорошо установлено , что скачкообразных время реакции , как правило, медленнее , чем обычно в этих условиях. Потенциальные возможности использования саккадической измерения включают в себя вспомогательные средства для диагностики и отслеживания заболеваний. Саккадическая задачи варьируются от простого prosaccade (если смотреть как можно быстрее к внезапно появляющейся визуальный стимул влево или вправо) до более сложных задач, таких как antisaccade (если смотреть как можно быстрее к противоположной стороне на зрительный стимул) или память- руководствуясь саккада (если смотретьпо отношению к запомненной местоположении цели, которая больше не является там).
Глубокая стимуляция мозга является эффективным средством для лечения ряда неврологических заболеваний. Чаще всего он используется для лечения двигательные симптомы болезни Паркинсона, включая тремор, ригидность, брадикинезией и дискинезии. Он также используется для других двигательных расстройств, в том числе дистонии и эссенциального тремора, реже при нейропатической боли, эпилепсии, а также психических заболеваний, таких как обсессивно-компульсивное расстройство. Это единственный параметр , в котором ученые имеют прямой электрический доступ к глубинным структурам головного мозга человека в естественных условиях и , таким образом , предлагает драгоценную возможность для экспериментальной неврологии. Разнообразие мишеней стимулируются в зависимости от состояния, подлежащего лечению, в том числе нескольких местах в базальные ганглии, многие из которых участвуют в глазодвигательными путей. Это означает, что широкий спектр исследований может проводиться с использованием системы DBS для доставки стимуляциив данном месте мозга и устройство слежения за глазом для записи и анализа его последствий. В зависимости от экспериментальной парадигмы, такие исследования могут дать информацию о физиологии региона стимулируется, последствия заболевания, или механизм, с помощью которого DBS работает в этой конкретной обстановке. В данной статье описывается общий подход к саккадической тестирования движения глаз у пациентов Глубокая стимуляция мозга.
Несколько различных типов глаз отслеживания оборудования доступны. Для исследований, описанных в данном протоколе портативный saccadometer был использован для записи горизонтальных саккадических движений глаз. Портативные saccadometers имеют преимущество не требующих подголовника (см Рисунок 1), что означает , что сеансы более удобным для пациентов с болезнью Паркинсона, особенно для тех , кто страдает с тяжелой дискинезии. Saccadometer здесь используется легкий и шириной около 5 см и 10 см в высоту. Saccadometer колбыразреш движения глаз за счет использования прямого инфракрасного окулография: инфракрасный источник и датчик, расположенный в передней части медиального использования угол глазной щели света, отраженного от роговицы, чтобы установить угловое положение глазного яблока с интервалом миллисекунду. Для того чтобы получить хорошие качественные данные для анализа saccadometer должны попробовать со скоростью по меньшей мере, 1 кГц, по меньшей мере, с разрешением 12 бит. В saccadometer используется здесь визуальные стимулы были три красных 13 кд м -2 пятна света , полученного с помощью встроенного в низких лазерах, каждое пятно объединительной некоторые 0,1 градусов, с одного места в средней линии , а два других на ± 10 градусов (т.е. , справа и слева).
Рисунок 1. Saccadometer. Глава монтируется saccadometer прикреплен к резинке и покоится на переносице. Четыре миниатюрные лазеры проекта визуальной целиs на матовой поверхности, а также движений глаз участника измеряются с помощью дифференциальных инфракрасных отражательных датчиков на носовой части каждого глаза. Поскольку лазерные мишени движутся с головы, подголовники не требуется. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Местным комитетом по этике одобрил это исследование и осознанного согласие было получено от участников, как описано ниже в разделе 1.
1. Участник Согласия
- Предоставьте участникам информационного листа, который подробно объясняет, что тестирование сессия будет включать в себя.
- После того, как участники имеют возможность прочитать и обсудить любые вопросы, замечания или другие вопросы, связанные с их принимающие участие в исследовании, пройти через форму согласия с ними, объясняя каждую точку на форме согласия, и давая им возможность задать любые вопросы они могли бы иметь. Попросите участников заполнить форму.
2. Настройка Saccadometer
- Поместите устройство на голове пациента, крепится с помощью регулируемого эластичного ремня и отдыхает на переносице. Поскольку стимулы двигаться точно с головой, без головы самоограничение не требуется, и устройство удобно WEAр.
- Попросите пациента сесть на 1,5 м от плоского матового экрана.
- Убедитесь в том, что окружающее освещение тусклое, так что стимулы (красный свет пятна) отчетливо видны.
3. Запись саккадическая сессии
Примечание: В качестве примера стандартный протокол , который проверяет оба prosaccades и antisaccades 8 описан здесь. Этот протокол состоит из пяти блоков: 60 prosaccades, 40 antisaccades х 3 и 60 prosaccades с перерывом 1 мин между блоками. Сеанс длится около 40 мин.
- Настройте saccadometer так , что для каждого испытания центральная цель фиксации отображается для случайного указательным период 1,0 - 2,0 сек, после чего он гасится и появляется одно из периферийных целей, случайным образом вправо или влево 9.
Примечание: Эти три цели являются пятна красного света, проецируемого на экран перед участника (см 2.2) маломощных лазеров, встроенных в saccadometer. Saccadometer Automatically переключает лазеры и выключаться для отображения / погасить цели в нужной последовательности. - Попросите участника о том, что тестирование состоит из пяти блоков с одним минутным перерывом между блоками.
- До первого блока инструктировать участника, чтобы переместить их глаза, как быстро и как можно более точно следить за красной точкой прыгает от середины к одной или другой стороны и поручить им сделать это 60 раз.
- Установите saccadometer для формирования последовательности из 60 испытаний. Нажмите на кнопку, чтобы начать saccadometer первый блок испытаний (prosaccades).
- После завершения первого блока, оставить одну минуту разрыв перед вторым блоком. Сброс saccadometer для генерации последовательности из 40 испытаний, а ближе к концу одной минуте разрыв, инструктировать участника для следующего блока, чтобы переместить их глаза как можно быстрее в противоположном направлении по отношению к красной точке, и объяснить, что они будут требуется, чтобы сделать это в 40 раз. Начало секвторых блок испытаний (antisaccades).
- После завершения второго блока, оставьте еще на 1 мин зазор, повторите инструкции на шаге 3.5 и начать третий блок испытаний (antisaccades).
- После завершения третьего блока, оставьте еще на 1 мин зазор, повторите инструкции на шаге 3.5 и начать четвертый блок испытаний (antisaccades).
- После завершения четвертого блока, оставьте еще на 1 мин разрыв, и объяснить, что для окончательного блока испытаний попросить участников перенести свои глаза, как быстро и как можно более точно следить за красной точкой прыгает от середины к одной стороне или другой, точно так, как они это делали в первом блоке.
- Сброс saccadometer для генерации последовательности из 60 испытаний, и начать заключительный блок испытаний (prosaccades).
Рисунок 2. Задачи движения глаз. Схема illustratiна показе два примера саккадических задач. Твердое вещество синее пятно представляет собой мишень и пунктирная синий круг представляет собой область фиксации. ЛЕВЫЙ показывает prosaccadic задачу , где объект будет предложено смотреть в сторону цели. ПРАВЫЙ показывает antisaccade где субъект просят отвести взгляд от зрительного стимула , Для этого требуется ингибирование более естественной реакции prosaccade и генерация саккады в противоположном направлении. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
4. Настройки Deep Brain Стимулятор
Примечание: Для участников с глубокими стимуляторы мозга проводят тестирование до сих пор с системой Стимулятор работает в обычном режиме, то есть, "на стимуляции" набор данных был получен. Тестирование Теперь необходимо повторить с системой стимулятором выключен (для здоровых участников контроля без системы ДБО этот раздел не будет применяться).
- Включите систему DBS выключения. Делайте это квалифицированным медицинским персоналом. Высушить в течение 30 мин перед испытанием.
- Повторите скачкообразное тестирование (шаги 3.2 - 3.9), чтобы получить полный "отключить" стимуляции набора данных.
- Включите систему DBS обратно на (опять же это должно быть сделано надлежащим образом подготовленным медицинским персоналом).
5. Анализ данных
Примечание: Для участников с глубокими стимуляторы мозга проводят тестирование до сих пор с системой Стимулятор работает в обычном режиме, то есть, "на стимуляции" набор данных был получен. Тестирование Теперь необходимо повторить с системой стимулятором выключен (для здоровых участников управления без систем ДБО этот раздел не будет применяться).
- Загрузить исходные данные из saccadometer в компьютер для анализа.
- Используйте программу в saccadometer, чтобы исключить Саккады DistorTed от мигает и движений головы, а также для расчета переменных, включая саккадических латентности, пиковые скорости и амплитуды.
Примечание: отчеты, загрязненные чрезмерными движениями головы или мигания автоматически удаляются с помощью программного обеспечения.- Удалить саккады с задержкой менее 80 мс или больше, чем 1000 мс.
Примечание: саккадическая задержка вычисляется автоматически с использованием алгоритма саккада обнаружения, основанный на скорости и ускорения. Наступление саккады определяется как точка, когда скорость глаз превышает порог 5 градусов / сек.
- Удалить саккады с задержкой менее 80 мс или больше, чем 1000 мс.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
На рисунке 3 показан пример саккадических траекторий движения глаз, от пациента болезни Паркинсона с гипоталамическим ядром системы DBS имплантированной. Два графика сюжет prosaccades пациента с системой стимулятором выключен (верхний график) и включается (нижний график). Каждый след на графиках показана траектория одного саккаде, то есть, как положение глаза в градусах от средней линии (ось) изменяется в зависимости от времени (ось х). Оба влево и вправо саккады показаны на графике в виде прогибов до положительных значений степени. Время ноль в тот момент, что центральная цель исчезает и появляется периферийная мишень. Интервал между этим и началом саккады (момент, когда трасса отклоняется от нуля градусов) называется скачкообразное латентность, а главное наблюдение состоит в том, что распределение саккад изменяется при стимулятором включен, с Редуфикция числа длинных саккадами задержки и соответствующее уменьшение среднего времени ожидания.
Рисунок 3. Prosaccadic Траектория Результаты. Это показывает саккадическая результаты движения глаз задержкой от пациента Паркинсона после прохождения Глубокая стимуляция мозга в гипоталамическим ядра. ВЕРХНИЙ показывает профиль задержки пациента , когда стимулятором выключен НИЖНИЙ показывает профиль латентность Тот же больной , когда стимулятором включен. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Самым важным фактором в получении хорошего качества скачкообразное данных гарантирует, что инструкции, данные участника являются ясными и точными. Например, если в инструкции для antisaccadic задачи не совсем понятно, участник может выполнить prosaccades вместо этого. Записи могут также быть испорчен, если участник не может четко видеть раздражители или saccadometer не может точно оценить положение глаз. Таким образом, если данные по всей видимости, низкого качества экспериментатор должен проверить, что окружающий свет не слишком яркий и что saccadometer правильно сидит на переносице.
Глубокая стимуляция мозга позволяет прямое изменение нейронной активности при различных местах в базальных ганглиях. В сочетании с оборудованием, которое может точно и объективно определить количество движений глаз, DBS может быть использован для исследования нормального и ненормального функционирования этих областей мозга.
Экспериментыиспользуя saccadometry в сочетании с DBS должны часто бороться с более чем одной неизвестной одновременно. Мозг изучаемых страдавшая в разной степени, и мы не знаем наверняка, механизм, с помощью которого DBS достигает своих эффектов, с гипотезами включая активацию нейронов в целевой области, деполяризующими блокады нейронов, стимуляция афферентных и / или эфферентные аксоны и более сложные эффекты на сетевой активности.
Субъекты с нейродегенеративных состояний часто на лекарства, и это будет почти универсальным для пациентов с пациентов с БП, у которых есть системы DBS. Саккады страдают от противопаркинсонических лекарственных препаратов, а также для того, чтобы сделать правильный оценку воздействия DBS на саккадических параметров, состояние лекарства должны быть одинаковыми при тестировании с DBS на и DBS прочь. Это означает, что либо имея объект не все лекарства в течение всего срока испытаний (в том числе в период вывода заранее), либо проведение на DBS и ОТесты ФФ-DBS в разумно короткий период времени. Было показано , что полная изнашивания эффектов DBS на саккадами занимает несколько часов , но , что большая часть изменений происходит в течение 30 мин 10. Временной ход предполагает несколько механизмов с различными курсами времени, от очень быстрых (электрических эффектов) гораздо более длительным (например, синтез белка). 30 мин предложено в протоколе, следовательно, будет захватывать большую часть индуцированных изменений DBS, и значительно меньше, чем типичное дозирования интервалом в несколько часов. Это не дает достаточное количество времени для более медленные механизмы, чтобы осесть на устойчивом состоянии, и повторное тестирование через более длительные интервалы могут быть полезны для получения понимание этих механизмов. При более длительных промежутков никто не мог предположить, что уровни лекарства во время тестирования и выключать DBS были примерно одинаковы, таким образом, более длительные интервалы, вероятно, будет легче интерпретировать при тестировании от лекарства.
Большая часть литературы по эффекты ОБН на движений глаз сосредоточилось на высокой частоте стимуляции субталамического ядра в PD. Prosaccadic задержка продлевается в PD и хорошо установлено, что STN DBS может существенно снизить его к нормальным значениям (как именно остается открытым для дискуссий). Тем не менее , когда saccadometry выполняется в раннем послеоперационном периоде, в течение нескольких часов до нескольких дней свинцового вставки и перед электростимуляция включается, то оказывается , что на самом деле Латентность увеличилась на 11. вставки электродных вызывает отек и это приведет к временной функциональной абляции головного мозга, непосредственно окружающей электрод; это оседает в течение нескольких недель и скачкообразных параметры вернуться к исходному уровню (стимуляторы не обычно не включается, пока через несколько недель после операции, чтобы на этот раз решить). Противоположности эффектов введения электрода и стимуляции представляет значительный интерес, поскольку она показывает, что одна из теорий ранее для объяснения, какDBS работает, путем блокады стимулированного структуры (то есть, функциональная абляция), не может всесторонне объяснить его механизм действия. Другие исследования показали аналогичные эффекты 12-14.
Можно проводить эксперименты , сочетающие DBS и saccadometry для изучения нормальной физиологии. Большое внимание должно быть принято с опытно-конструкторских и интерпретации результатов, потому что испытуемый обязательно имеет некоторое неврологическое состояние. Одним из подходов является сравнение результатов тестирования саккадической с DBS и выключения по результатам от здоровых участников контроля без DBS. Если результаты в DBS субъектов с их стимуляторами отключенными напоминают в контрольной группе, то разумно исходить из того, что изменения в движениях глаз видел в ответ на DBS, вероятно, будут аналогичны тем, которые будут рассматриваться, если эксперимент можно было бы сделать в участников без заболевания. Например, производительность в просаккадическим задача, которая была создана таким образом, что визуальный стимул, скорее всего, появится на одной стороне, чем на другой, одинакова для здоровых участников и пациентов с БП с системами СТН DBS на месте, но выключен. Задержки укоротить для саккад в направлении, где цель, скорее всего, появится, и удлинить в направлении менее вероятно. Когда системы включены, удлинение времени ожидания в менее вероятном направлении исчезает, и интерпретация , что STN выполняет функции 15 нормализации вероятности. Пациенты в этом исследовании имели PD, но это не имеет непосредственное отношение к результату. Конечно, это существенное предположение, и возможно, что болезнь модулирует реакцию на DBS, даже если это не влияет на базовые характеристики. Кроме того, сходство отходящем DBS и данные управления могут быть результатом компенсаторных механизмов, а не с отсутствием эффекта патологии на измеряемых параметров. Результаты должны быть INTerpreted с этим в виду.
После того, как основные приемы, описанные в протоколе были освоены подход может быть расширен до более сложных парадигм. Много различных скачкообразных задачи были разработаны из которых задача вероятности на основе описанной в предыдущем абзаце, только один. Другие примеры включают в себя память руководствоваться саккады 16 (смотрит в сторону запоминаемой расположения стимул , который больше не является там) или вознаграждение на основе саккадических задач , предназначенных для вызова функции лимбической 17.
Здесь мы описали один из самых простых саккадических задач, 10-градусный визуально ориентироваться по горизонтали шаг задачи а. Многие модификации задачи возможны такие как вставка временной промежуток между точкой фиксации исчезновения и периферической мишени внешний вид 18-20 или перекрытием 21 , где точка фиксации и боковой мишени присутствуют одновременно. Парадигмы такого рода были использованы для того, чтобы понять, Saccadic инициирование и нейронные корреляты наблюдаются в лобных областях глаз 20,22 и двухолмия 23. Подробное обсуждение различных видов использования различных саккадических парадигм выходит за рамки данной статьи; для обзора см 1.
Saccadometry имеет широкое применение за пределами его использования в DBS. Саккадическая пути включают несколько частей базальных ганглиев и скачкообразных изменений являются потенциальным биомаркером для любого состояния, которое повреждает или возмущению функции этих структур. Saccadometry имеет, например, были исследованы для использования в нейродегенеративных заболеваний, включая PD, болезнь Хантингтона, лобно-височной деменции, бокового амиотрофического склероза, а также в черепно-мозговой травмой и при нарушениях обмена веществ, включая печеночной энцефалопатии.
В заключение saccadometry полезный количественный инструмент сам по себе, но сочетая его с глубокой стимуляции мозга открывает целый ряд экспериментальподходы к Tal, которые могут пролить свет на функции мозга как в здоровье и болезни.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Saccadometer device | Ober Consulting Poland | ||
| Computer with Windows environment | |||
| Software, Latency Meter for downloading the raw data from the saccadometer |
References
- Leigh, R. J., Kennard, C. Using saccades as a research tool in the clinical neurosciences. Brain. 127, 460-477 (2004).
- Carpenter, R. H.
- Leigh, R. J., Zee, D. S. The Neurology of Eye Movements. , Oxford University Press. New York. (2006).
- Antoniades, C. A., Xu, Z., Mason, S. L., Carpenter, R. H., Barker, R. A. Huntington's disease: changes in saccades and hand-tapping over 3 years. Journal of Neurology. 257, 1890-1898 (2010).
- Blekher, T. M., Yee, R. D., Kirkwood, S. C., Hake, A. M., Stout, J. C., Weaver, M. R., Foroud, T. M. Oculomotor control in asymptomatic and recently diagnosed individuals with the genetic marker for Huntington's disease. Vision Research. 44, 2729-2736 (2004).
- Chan, F., Armstrong, I. T., Pari, G., Riopelle, R. J., Munoz, D. P. Deficits in saccadic eye-movement control in Parkinson's disease. Neuropsychologia. 43, 784-796 (2005).
- Antoniades, C. A., Demeyere, N., Kennard, C., Humphreys, G. W., Hu, M. T. Antisaccades and executive dysfunction in early drug-naive Parkinson's disease: The discovery study. Mov Disord. , (2015).
- Antoniades, C., et al. An internationally standardised antisaccade protocol. Vision Res. 84, 1-5 (2013).
- Ober, J. K., et al. Hand-Held system for ambulatory measurement of saccadic durations of neurological patients. . Modelling and Measurement in Medicine. , (2003).
- Temperli, P., et al. How do parkinsonian signs return after discontinuation of subthalamic DBS. Neurology. 60, 78-81 (2003).
- Antoniades, C. A., et al. Deep brain stimulation: eye movements reveal anomalous effects of electrode placement and stimulation. PLoS ONE. 7, e32830 (2012).
- Yugeta, A., et al. Effects of STN stimulation on the initiation and inhibition of saccade in Parkinson disease. Neurology. 74, 743-748 (2010).
- Terao, Y., Fukuda, H., Ugawa, Y., Hikosaka, O. New perspectives on the pathophysiology of Parkinson's disease as assessed by saccade performance: a clinical review. Clin Neurophysiol. 124, 1491-1506 (2013).
- Temel, Y., Visser-Vandewalle, V., Carpenter, R. H. Saccadic latency during electrical stimulation of the human subthalamic nucleus. Curr Biol. 18, 412-414 (2008).
- Antoniades, C. A., et al. Deep brain stimulation abolishes slowing of reactions to unlikely stimuli. J Neurosci. 34, 10844-10852 (2014).
- Rivaud-Pechoux, S., et al. Improvement of memory guided saccades in parkinsonian patients by high frequency subthalamic nucleus stimulation. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 68, 381-384 (2000).
- Takikawa, Y., Kawagoe, R., Itoh, H., Nakahara, H., Hikosaka, O. Modulation of saccadic eye movements by predicted reward outcome. Experimental brain research. Experimentelle Hirnforschung. 142, 284-291 (2002).
- Dorris, M. C., Munoz, D. P. A neural correlate for the gap effect on saccadic reaction times in monkey. Journal of Neurophysiology. 73, 2558-2562 (1995).
- Hanes, D. P., Schall, J. D.
- Opris, I., Barborica, A., Ferrera, V. P. On the gap effect for saccades evoked by electrical microstimulation of frontal eye fields in monkeys. Experimental brain research. Experimentelle Hirnforschung. 138, 1-7 (2001).
- Takagi, M., Frohman, E. M., Zee, D. S. Gap-overlap effects on latencies of saccades, vergence and combined vergence-saccades in humans. Vision Res. 35, 3373-3388 (1995).
- Schall, J. D. Neuronal activity related to visually guided saccades in the frontal eye fields of rhesus monkeys: comparison with supplementary eye fields. Journal of Neurophysiology. 66, 559-579 (1991).
- Pare, M., Hanes, D. P. Controlled movement processing: superior colliculus activity associated with countermanded saccades. J Neurosci. 23, 6480-6489 (2003).
