Derin Beyin Uyarım ile Saccadometry kullanarak normal ve patolojik beyin fonksiyonlarını incelemek için
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
Son yıllarda 1 yapma nöral karar üst düzey mekanizmaları hakkında bilgi almak için bir nicel ve non-invaziv bir yöntem olarak reaksiyon süreleri ölçümlerinin kullanımı artan ilgi olmuştur. kapsamlı olarak araştırılmıştır reaksiyon süresi bir tipi, Sakkadik gecikme olarak bilinen görsel uyaran, sunumu ile ilgili sakkad başlatmak için gereken zamandır. Sakkadlar hızla başka bir yerden bizim bakışları kayması meydana hızlı göz hareketleri vardır. Bunlar genellikle iki ya da üç saniyede bir frekansta meydana gelen biz yapmak göz hareketleri sık türüdür. Her sakkaddan etkisi başka 2 yerine görsel dünyada bir işaret bakmak için bir karardır.
Göz hareketlerini kontrol nöral yolları yoğun çalışmalar yapılmış ve oldukça iyi 3 belgelenmiştir. Hassas elektronik ekipman kullanılarak, okülomotor fonksiyon yönleri hassas ve objectivel olabilirY miktarı. Bu göz hareketlerinin kendilerini detaylı bir çalışma kolaylaştırır ama aynı zamanda onları nörofizyoloji ve patofizyoloji diğer alanlarını araştırmak için bir araç olarak kullanılmasına izin verir.
Göz hareketleri ölçüm hastalık durumları hakkında yararlı bilgiler sağlayabilir. Sakkadik göz hareketleri son zamanlarda, örneğin, Huntington 4,5 ve Parkinson hastalıkları 6,7 olmak üzere nörodejeneratif hastalıkların potansiyel biyomarkerların olarak çok dikkat aldık ve iyi sakkadik reaksiyon süreleri bu koşullarda normalden daha yavaş olma eğiliminde olduğu saptanmıştır. Sakkadik ölçüm potansiyel kullanımları hastalıkların teşhis ve izlemesi ile AİDS içerir. Sakkadik görevler gibi (görsel uyarana karşı tarafa mümkün olduğunca çabuk bakarak) antisaccade veya Bellek gibi daha karmaşık görevler için (bir aniden beliren görsel uyaranın doğru sağdan sola ya da mümkün olduğunca hızlı bir şekilde bakarak) basit prosaccade aralığı güdümlü sakkaddan (seyir) Artık orada bir hedefin hatırladı konuma doğru.
Derin beyin stimülasyonu birkaç nörolojik durumlar için etkili bir tedavi yöntemidir. En çok titreme, kasılma, bradikinezi ve diskinezi dahil olmak üzere Parkinson hastalığı, motor semptomları tedavi etmek için kullanılır. Aynı zamanda, obsesif kompulsif bozukluk gibi daha az yaygın nöropatik ağrı, epilepsi ve psikiyatrik durumlar için distoni ve temel titreme ve da dahil olmak üzere başka hareket bozukluğu için kullanılmaktadır. Bu bilim adamları, in vivo insan beyninin derin yapılara direkt elektrik erişime sahip ve bu nedenle deneysel nöroloji için değerli bir fırsat sunduğu tek ayardır. hedeflerin çeşitli koşullarına bağlı olarak uyarılır Okülomotor yollarıyla ilgilidir çoğu bazal ganglion birkaç yerle de dahil olmak üzere, tedavi edilen. Bu çalışmalar çeşitli uyarım sunmak için DBS sistemi kullanılarak yapılabilir demektirBelirli bir beyin konumu ve bir göz izleme cihazına kaydetmek ve etkilerini analiz etmek. deneysel paradigma bağlı olarak, bu tür çalışmalar, bölgenin fizyolojisi hakkında bilgi uyarılmış olan hastalık veya hangi DBS o ortamda çalışan mekanizmanın etkilerini verebilir. Bu makalede, Derin Beyin Stimülasyonu hastalarında sakkadik göz hareketi testine genel bir yaklaşım anlatılmaktadır.
göz izleme ekipmanları birkaç farklı türleri vardır. Bu protokol açıklanan araştırma için taşınabilir bir saccadometer yatay sakkadik göz hareketlerini kaydetmek için kullanıldı. Taşınabilir saccadometers oturumları özellikle ağır diskinezi ile muzdarip olanlar için, Parkinson hastalığı olan hastalar için daha rahat olduğu anlamına gelir Baş desteğini (Şekil 1), gerekmeyen avantajına sahiptir. Burada kullanılan saccadometer hafif ve yaklaşık 5 cm genişliğinde ve 10 cm boyunda. saccadometer measudoğrudan kızılötesi oculography kullanılarak res göz hareketleri: medial canthus kullanım ışığın önüne yerleştirilmiş bir kızıl ötesi kaynağı ve sensör milisaniye aralıklarla göz küresinin dönme pozisyonunu kurmak için kornea yansıyan. Analiz için kaliteli veri elde etmek için saccadometer en az 12 bit çözünürlükte en az 1 kHz'lik bir hızda numune gerekir. Burada kullanılan saccadometer görsel uyaranlar tarafından üretilen ışığın üç kırmızı 13 cd m -2 noktalar vardı düşük güç lazerler inşa tek orta hatta spot ve ± 10 derece, diğer ikisi bazı 0,1 derece subtending her nokta (yani ,) sağa sol.
Şekil 1. Saccadometer. Kafa saccadometer bir elastik bant takılı ve burun köprüsü üzerinde dinlenme monte edilebilir. Dört minyatür lazerler görsel hedef projemat yüzeyi ve katılımcının göz hareketlerine ilgili her gözün burun tarafında farklı kızılötesi yansıma dönüştürücüler ile ölçülür. Lazer hedefleri baş hareket ettikçe, kafalıklar gerekli değildir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Protocol
Representative Results
Discussion
kaliteli sakkadik verilerin elde edilmesinde en önemli faktör katılımcıya verilen talimatlar açık ve kesin olmasını sağlamaktır. antisaccadic görev için talimatları tam olarak açık değildir, örneğin, bir katılımcı yerine Prosaccades çalıştırmak için olasıdır. katılımcı açıkça uyaranlara göremiyorum veya saccadometer doğru göz pozisyonunu ölçmek olamaz eğer kayıtlar da şımarık olabilir. veriler düşük kalitede olması için görünen Böylece eğer deneyci Ortam ışığı ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dr. Antoniades was supported by the National Institute of Health Research (NIHR) and by the Dementias and Neurodegenerative Diseases Research Network (DENDRON) and by the Wellcome Trust. Dr FitzGerald was supported by the National Institute for Health Research (NIHR) Oxford Biomedical Research Centre.
Materials
| 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. The neural control of looking. Curr Biol. 10, R291-293 (2000).
- Leigh, R. J., & Zee, D. S. The Neurology of Eye Movements. New York: Oxford University Press, (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, RD., Kirkwood, SC., Hake, AM., Stout, JC., Weaver, MR., Foroud, TM. Oculomotor control in asymptomatic and recently diagnosed individuals with the genetic marker for Huntington's disease. in Vision Research. Vol. 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. . In: 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, R412-414 (2008).
- Antoniades, C. A. et al. Deep brain stimulation abolishes slowing of reactions to unlikely stimuli. J Neurosci. 34, 10844-10852 1065-14.2014(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. Countermanding saccades in macaque. Visual Neuroscience. 12, 929-937, (1995).
- 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).
