Mit Saccadometry mit Deep Brain Stimulation Normale und Pathologische Funktion des Gehirns zu studieren

Summary

This paper describes the use of quantitative measurement of eye movements in conjunction with stimulation of focal areas of the deep brain in order to study physiology, pathophysiology, and the mechanisms of deep brain stimulation.

Abstract

The oculomotor system involves a large number of brain areas including parts of the basal ganglia, and various neurodegenerative diseases including Parkinson’s and Huntington’s can disrupt it. People with Parkinson’s disease, for example, tend to have increased saccadic latencies. Consequently, the quantitative measurement of saccadic eye movements has received considerable attention as a potential biomarker for neurodegenerative conditions. A lot more can be learned about the brain in both health and disease by observing what happens to eye movements when the function of specific brain areas is perturbed. Deep brain stimulation is a surgical intervention used for the management of a range of neurological conditions including Parkinson’s disease, in which stimulating electrodes are placed in specific brain areas including several sites in the basal ganglia. Eye movement measurements can then be made with the stimulator systems both off and on and the results compared. With suitable experimental design, this approach can be used to study the pathophysiology of the disease being treated, the mechanism by which DBS exerts it beneficial effects, and even aspects of normal neurophysiology.

Introduction

In den letzten Jahren gab es bei der Verwendung von Messungen von Reaktionszeiten als quantitative und nicht-invasive Art und Weise zu gewinnen , Informationen über die hohen Ebene Mechanismen der neuronalen Entscheidung zunehmendes Interesse ¹ zu machen. Eine Art von Reaktionszeit, die intensiv untersucht worden ist, ist die Zeit für eine Sakkaden bei Vorlage eines visuellen Stimulus zu initiieren, wie Sakkaden Latenz bekannt. Sakkaden sind die schnellen Augenbewegungen, die auftreten, wenn wir schnell unseren Blick von einem Ort zum anderen zu verschieben. Sie sind die häufigste Art von Augenbewegungen machen wir bei einer Frequenz auftreten, von typischerweise zwei oder drei pro Sekunde. Jeder Sakkaden ist in der Tat eine Entscheidung auf ein Stichwort in der visuellen Welt zu betrachten und nicht als eine andere ^2.

Die Nervenbahnen Augenbewegungen zu steuern wurden ausführlich untersucht und sind recht gut ³ dokumentiert. Mit empfindlichen elektronischen Geräten, können Aspekte der oculomotor Funktion sein präzise und objectively quantifiziert. Dies erleichtert die detaillierte Untersuchung der Augenbewegungen selbst, sondern ermöglicht es auch, sie als Werkzeug verwendet werden, um andere Bereiche der Neurophysiologie und Pathophysiologie zu untersuchen.

Augenbewegungsmessung können alle notwendigen Informationen über Krankheitszustände liefern. Sakkadische Augenbewegungen kürzlich zum Beispiel viel Aufmerksamkeit als potentielle Biomarker in neurodegenerativen Erkrankungen einschließlich ^{Huntington-4,5} und Parkinson-Krankheiten ^6,7, und es ist bekannt, dass sakkadische Reaktions mal langsamer zu sein neigen als normal in diesen Bedingungen. Einsatzmöglichkeiten von Sakkaden Messung umfassen Hilfsmittel zur Diagnose und Krankheit Verfolgung. Sakkadische Aufgaben reichen von der einfachen prosaccade (Suche so schnell wie möglich in Richtung auf eine plötzlich visuellen Reizes nach links oder rechts erscheine) zu komplexeren Aufgaben wie die Antisakkaden (Suche so schnell wie möglich auf die andere Seite auf einen visuellen Reiz) oder Gedächtnis- geführte Sakkaden (Blickin Richtung der zu merkenden Ort eines Ziels, das nicht mehr da ist).

Tiefe Hirnstimulation ist eine wirksame Behandlung für mehrere neurologische Zustände. Es wird am häufigsten zur Behandlung der motorischen Symptome der Parkinson-Krankheit, einschließlich Tremor, Rigor, Bradykinesie und Dyskinesie verwendet. Es ist auch für andere Bewegungsstörungen einschließlich Dystonie und essentiellem Tremor, und weniger häufig für neuropathische Schmerzen, Epilepsie und psychiatrischen Erkrankungen wie Zwangsstörungen eingesetzt. Es ist die einzige Einstellung , in denen Wissenschaftler einen direkten elektrischen Zugang zu tiefen Strukturen des menschlichen Gehirns in vivo und bietet somit eine wertvolle Gelegenheit für experimentelle Neurologie haben. Eine Vielzahl von Zielen auf der Bedingung stimulierte abhängig, die behandelt, einschließlich mehreren Stellen in den Basalganglien, von denen viele in oculomotor Wegen beteiligt sind. Dies bedeutet, dass ein breites Spektrum von Studien können mit dem DBS-System durchgeführt werden Stimulation zu liefernzu einem bestimmten Gehirn Lage und ein Eye-Tracking-Gerät aufzeichnen und seine Auswirkungen zu analysieren. Je nach experimentellen Paradigmen können solche Studien liefern Informationen über die Physiologie der Region stimuliert wird, die Auswirkungen der Krankheit oder der Mechanismus, durch den DBS wird in dieser bestimmten Umgebung zu arbeiten. Dieser Artikel beschreibt einen allgemeinen Ansatz zu Sakkaden Augenbewegung in Deep Brain Stimulation Patienten.

Mehrere verschiedene Arten von Eye-Tracking-Geräte stehen zur Verfügung. Für die Forschung in diesem Protokoll beschrieben wurde ein tragbares saccadometer verwendet horizontale Sakkaden Augenbewegungen aufzuzeichnen. Tragbare saccadometers haben den Vorteil , nicht Kopfstütze erforderlich ist (siehe Abbildung 1), was bedeutet , dass die Sitzungen sind bequemer für Patienten mit Parkinson-Krankheit, vor allem für diejenigen mit schweren Dyskinesien leiden. Der hier verwendete saccadometer ist leicht und etwa 5 cm breit und 10 cm hoch. Die saccadometer measures Augenbewegungen durch die Verwendung von direkter Infrarot Okulographie: einer Infrarotquelle und vor dem medialen Augenwinkel Gebrauch Licht reflektiert positioniert Sensor von der Hornhaut in Millisekunden-Intervallen um die Drehposition des Augapfels zu etablieren. Um eine gute Qualität Daten für die Analyse zu erwerben die saccadometer sollte mit mindestens einem 12-Bit-Auflösung mit einer Geschwindigkeit von mindestens 1 kHz abzutasten. Im saccadometer hier die visuellen Reize verwendet wurden , waren drei rote 13 cd m ^-2 Lichtflecken durch im Low – Power – Laser gebaut erzeugt, wobei jeder Punkt ein paar 0,1 Grad, mit einem Punkt in der Mittellinie und die beiden anderen bei ± 10 Grad aufspannt (dh nach rechts und links).

Abbildung 1. Die Saccadometer. Kopf montiert saccadometer an einem elastischen Band und ruht auf der Brücke der Nase. Vier Miniaturlaser projizieren visuelle Ziels auf eine matte Oberfläche, und die Augenbewegungen des Teilnehmers durch Differentialinfrarotreflexions Wandler auf der nasalen Seite jedes Auges gemessen. Da die Laser Ziele mit dem Kopf bewegen, Kopfstützen sind nicht erforderlich. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Protocol

Die Ethikkommission genehmigte diese Studie und informierte Zustimmung wurde von den Teilnehmern erhalten, wie unten beschrieben in Abschnitt 1. 1. Teilnehmer Zustimmung Den Teilnehmern ein Informationsblatt, das im Detail erklärt, was die Test-Session enthalten wird. Nachdem die Teilnehmer die Möglichkeit haben, zu lesen und zu Fragen, Bedenken oder anderen Angelegenheiten ihrer Teilnahme an der Studie, gehen durch die Zustimmung Form mit ihnen zu erklären, jeden Pun…

Representative Results

Figur 3 zeigt ein Beispiel von sakkadischen Augenbewegungsbahnen von einer Parkinson-Krankheit Patienten mit einem Nucleus subthalamicus DBS – System implantiert. Die beiden Diagramme der prosaccades des Patienten Plots mit dem Stimulator System (obere Grafik) ausgeschaltet und eingeschaltet (untere Grafik). Jede Spur auf dem Graphen zeigt die Trajektorie eines einzelnen Sakkade, dh wie die Augenposition in Grad von der Mittellinie (y – Achse) weg als Funktion d…

Discussion

Der wichtigste Faktor in der guten Qualität saccadische Daten zu erhalten, ist sicherzustellen, dass die dem Teilnehmer gegebenen Anweisungen sind klar und präzise. wenn die Anweisungen für die antisaccadic Aufgabe Zum Beispiel sind nicht ganz klar, ist der Teilnehmer wahrscheinlich prosaccades stattdessen auszuführen. Aufzeichnungen können auch verdorben sein, wenn der Teilnehmer nicht eindeutig die Reize oder die saccadometer können Augenposition nicht genau messen zu sehen. So, wenn die Daten als von niedriger …

Materials

Saccadometer device ( Ober Consulting Poland)

Computer with Windows environment

Software, Latency Meter for downloading the raw data from the saccadometer.