Die Untersuchung der Funktion von Deep kortikalen und subkortikalen Strukturen Mit Stereotaktische Elektroenzephalographie: Lehren aus der anterioren cingulären Cortex

Summary

Stereotaktische Elektroenzephalographie (SEEG) ist eine Operationstechnik in der Epilepsiechirurgie verwendet, um zu lokalisieren Anfallsherde. Sie bietet auch eine einzigartige Gelegenheit, die Gehirnfunktion zu untersuchen. Hier beschreiben wir, wie SEEG kann verwendet werden, um kognitive Prozesse beim Menschen untersucht werden.

Abstract

Stereotaktische Elektroenzephalographie (SEEG) ist eine Technik verwendet, um Krampfanfälle zu Brennpunkten bei Patienten mit medizinisch schwer behandelbarer Epilepsie zu lokalisieren. Das Verfahren beinhaltet die Platzierung der chronischen mehrere Tiefenelektroden in Regionen des Gehirns typischerweise über subduralen Gitterelektrodenplatzierung unzugänglich. SEEG stellt somit eine einzigartige Gelegenheit, um die Gehirnfunktion zu untersuchen. In diesem Beitrag zeigen wir, wie SEEG kann die Rolle des dorsalen anterioren cingulären Kortex (DACC) in kognitive Kontrolle zu untersuchen. Wir sind eine Beschreibung des SEEG Verfahren, was die chirurgische Platzierung der Elektroden. Wir beschreiben die Komponenten und Verfahren erforderlich, um lokale Feldpotential (LFP) Daten von zustimmenden Probanden, während sie in einem Verhaltens Aufgabe beschäftigt sind aufzuzeichnen. Im vorliegenden Beispiel, spielen Themen eine kognitive Störungen Aufgabe, und wir zeigen, wie Signale aufgezeichnet und von Elektroden in der dorsalen anterioren cingulären Cortex, eine Fläche intim analysiertLICH an der Entscheidungsfindung beteiligt. Wir schließen mit weiteren Vorschlägen der Weisen, in denen diese Methode zur Untersuchung von menschlichen kognitiven Prozessen verwendet werden.

Introduction

Epilepsie, eine gemeinsame neurologische Erkrankung im Laufe der Zeit, gekennzeichnet durch mehrere wiederkehrende Anfälle, macht 1% der weltweiten Krankheitslast ^1. Anti-epileptische Medikamente nicht, Anfälle bei 20 zu steuern – 30% der Patienten ^2,3. In diesen medizinisch hartnäckigen Patienten ist Epilepsiechirurgie häufig angegeben ^4,5. Die Entscheidung, mit der Operation fortzufahren erfordert Auffinden der Anfallsfokus, eine Voraussetzung für die Formulierung eines Operationsplan. Zunächst werden nicht-invasive Techniken zur lateralisieren und lokalisieren die Beschlagnahme Fokus. Elektroenzephalographie (EEG), beispielsweise Maßnahmen kortikale elektrische Aktivität von Elektroden auf der Kopfhaut aufgenommen und kann oft eine ausreichende Information über die Lage des Anfallsherd. Darüber hinaus kann die Magnetresonanztomographie (MRI) diskrete Läsionen wie hippocampalen Sklerose klassischen Pathologie in der häufigsten Form von medizinisch hartnäckige Epilepsie gesehen mesial t nachweisenemporal Epilepsie (MTLE).

Häufig ist jedoch die nicht-invasive Abklärung nicht einen Anfall Fokus identifizieren. In diesen Fällen wird die invasive Elektrokortikographie (ECoG) intrazerebralen Elektroden erforderlich ist, um den Fokus zu lokalisieren und zu führen weitere chirurgische Behandlung ^6. ECoG ist ein neuro Technik zur Messung elektrischer Aktivität unter Verwendung von Elektroden in direktem Kontakt mit dem Gehirn platziert. Gitter oder Streifen der Fläche (subduralen) Elektroden auf der Oberfläche des Gehirns, eines Prozesses, der eine Kraniotomie (Entfernung eines Knochendeckels) und eine große Öffnung der Dura erfordert platziert. Diese Oberflächenelektroden können über den vermeintlichen Bereich (e) des Anfallsbeginn gestellt werden. Die distalen Enden der Elektroden sind durch kleine Öffnungen in der Haut getunnelt und dem Kontrollgerät in der Epilepsie-Überwachungseinheit (EMU) verbunden ist. In der EWU wird dem Patienten für die klinische Anfallsaktivität durch kontinuierliche Video- und ECoG Aufnahmen überwacht. Diese Technik is nützlich für das Sammeln von langfristigen (Tage bis Wochen) Aufnahmen von iktale und interiktalen elektrischen Entladungen über größere Bereiche der kortikalen Oberfläche. Während diese Hirnaufnahmen sind von unschätzbarem Wert für die Untersuchung von klinisch Anfallsherde und Vermehrung, sie geben uns auch die Möglichkeit, die kognitive Funktion und Neurophysiologie des Menschen unterziehen speziell Verhaltensaufgaben zu untersuchen.

ECoG Verwendung subduralen Gitterelektroden verwendet worden, um verschiedene Aspekte der Rindenfunktion, einschließlich sensorischer und Sprachverarbeitung zu untersuchen. Als eines von vielen Beispielen, gezeigt Bouchard et al die zeitliche Koordinierung der Mundmuskulatur bei der Bildung von Silben für gesprochene Sprache der ventralen sensomotorischen Cortex, eine Region, die als die menschliche Sprache sensomotorischen Cortex ⁷ identifiziert. Außerdem ECoG mit subduralen Gitter Platzierung auch verwendet worden, um die Mechanismen, mit denen die Menschen in der Lage sind atten studierend auf eine bestimmte Stimme in einer Menschenmenge: die so genannte "Cocktail-Party-Effekt ^8,9. ECoG-Aufnahmen zeigten, dass es zwei verschiedene neuronale Bands, die dynamisch verfolgen Rede Ströme, sowohl Niederfrequenzphase und High-gamma Amplitudenschwankungen, und dass es verschiedene Verarbeitungsstellen – ein "Modulation" Website, die beide Lautsprecher-Spuren und eine "Auswahl" Website, die die besuchten Talker ⁵ Tracks.

Eine weitere neue Anwendung der ECoG mit subduralen Elektrodenplatzierung ist das Potenzial für den Einsatz mit Brain Computer Interfaces (BCI), die neuronale Aktivität, um einen externen Ausgang steuern "entschlüsseln". Diese Technologie hat das Potenzial, so dass Patienten mit schweren Hirn- oder Rückenmarksverletzungen mit der Welt kommunizieren und Prothesen ^10,11 manipulieren.

Während subduralen Gitter Platzierung hat erheblich zu unserem Verständnis von Super beigetragenoberflächlichen kortikalen Bereichen und ist nützlich bei der Identifizierung von kortikalen epileptogenen Foci Hierzu ist jedoch erfordern eine Kraniotomie und die damit verbundenen Risiken und wird im Allgemeinen für die Untersuchung der äußeren Oberfläche des Gehirns beschränkt. Stereotaktische Elektroenzephalographie (SEEG) ist eine Technik, die die Beurteilung der tiefen epileptischen Foci ¹² ermöglicht. Mit einer langen Geschichte der Verwendung in Frankreich und Italien, wird es auch zunehmend in den USA ¹³ verwendet. SEEG beinhaltet die Platzierung von mehreren Elektroden (in der Regel 10 bis 16) tief in die Substanz des Gehirns durch kleine (wenige mm) Spiralbohrer Bohrlöcher. Vorteile SEEG über subduralen Gitter Platzierung umfassen seine weniger invasive Art, die Leichtigkeit der Prüfung bilateralen Hemisphären, wenn erforderlich, und die Fähigkeit, dreidimensionale Karten von Anfallsausbreitung zu erzeugen. Darüber hinaus sind diese Elektroden ermöglichen die Identifikation von tiefen epileptischen Foci, die bisher nur schwer mit Oberflächenelektroden zu identifizieren waren. Diese Vorgehensweise auch provides die Möglichkeit, die die Neurophysiologie und Funktion der Tiefe kortikalen Strukturen, wie dem limbischen System, den mesoparietal Cortex, der mesotemporal Cortex und dem orbitofrontal Cortex, von denen alle bisher nur schwer direkt in Menschen untersucht untersucht werden.

Dieser Beitrag zeigt, wie SEEG kann genutzt werden, um die kognitive Funktion im dorsalen anterioren cingulären Kortex (DACC) untersucht werden. DACC ist weitgehend untersucht Gehirnregion, aber es ist auch eine der schlecht verstanden. Als eine wesentliche Region für die menschliche Kognition, ist es wahrscheinlich, dass die DACC steht im Mittelpunkt der dynamischen neuronalen Verarbeitung von Entscheidungen im Zusammenhang mit der ständig wechselnden Anforderungen der Umwelt ¹⁴ verhängt. Studies in beiden Primaten ^15,16 und ¹⁷ Menschen vermuten, dass die DACC integriert potenziellen Risiken und Chancen, die eine bestimmte Maßnahme, vor allem in Situationen von mehreren gleichzeitigen Spannungsfeld ^{von 18 bis 21,} und modulates diese Entscheidungen im Zusammenhang mit der bisherigen Maßnahmen und die dabei erzielten Ergebnisse ^14,22,23.

Die Multi-Source Interference Aufgabe (MSIT), ein Stroop-ähnliche Verhaltensaufgabe, wird häufig zur Konfliktbearbeitung im DACC zu untersuchen. Die MSIT Aufgabe aktiviert DACC durch Rekrutierung Neuronen in mehreren Domänen der Verarbeitung durch den DACC ^24,25 reguliert beteiligt. Diese Aufgabe spezifisch aktiviert die DACC durch Testen Merkmale der Entscheidungsfindung, Zielerkennung, Neuheitsdetektion, Fehlererkennung, Antwortauswahl und Stimulus / Antwort-Wettbewerb. Zudem führt die MSIT Aufgabe mehreren Dimensionen der kognitiven Störungen, die in dieser Studie verwendet werden, um DACC neuronalen Antworten auf gleichzeitige widersprüchliche Reize mit SEEG untersuchen.

Protocol

Stellen Sie sicher, dass jeder Patient ist für die Eignung für die Studie überprüft und entsprechende Patienten müssen für die Teilnahme an der Studie nach den örtlichen IRB Verfahren zugestimmt. 1. Patientenauswahl für SEEG und Forschung Patientenauswahl für SEEG Hinweis: Epilepsie-Patienten müssen klinisch durch ein multidisziplinäres Team, bestehend aus epileptologists, Neuropsychologen und Neurochirurgen zu bewerten. Stellen Sie sicher, dass der Pati…

Representative Results

Sobald ein Patient für SEEG Elektrodenplatzierung gewählt, er / sie erfährt eine Volumen T2 und T1 kontrastverstärkten MRT. SEEG Elektrodenbahnen werden dann geplant mit stereotaktischen Navigation der volumetrischen MRT-Sequenzen (Abbildung 1). Diese Technik ermöglicht die Sammlung von lokalen Feldpotentiale von Strukturen tief in die Rinde wie dorsalen anterioren cingulären Kortex (hellorange Flugbahn, Abbildung 1), die nicht mit typischen Oberflächenelektrodenplatzierung mögl…

Discussion

In diesem Papier SEEG wurde verwendet, um die Aktivität der lokalen neuronaler Populationen im DACC während einer Entscheidungsaufgabe des Menschen untersucht. Frühere Arbeiten haben die Aktivität einzelner Nervenzellen im DACC sucht unter Verwendung intraoperativer microelectode Aufnahmen ¹⁴ und gezeigt, dass DACC Aktivität wird durch vorherige Aktivität moduliert. Mikroelektroden-Studien ermöglichen die Untersuchung der Spick Aktivität einzelner Nervenzellen. SEEG misst LFP, die den aufsummierten sy…

Materials

Trigger I/O cable	Natus Medical Inc.	5029	PS2 to BNC cable
BNC cables for analog pulses			Can be ordered from most electronics stores.
Power strip with surge protection and battery backup	Tripp Lite	SMART500RT1U UPC	Power source and backup
National instruments multifunctional daq data acquisition box NI PCIe-6382 DAQ cards	National Instruments	PCIe-6382 w/ BNC 2090A	PCI cards for behavioral control interface
Custom made button box – human interface device			Any human interface device with three buttons may be used. Alternatively, 3 keyboard buttons may be used.
Xltek 128 channel clinical intracranial EEG monitoring system EMU128FS	Natus Medical Inc.	002047c	Clinical recording system
Subject monitor and associated cables for visual stimulus presentation	Dell	U2212HMc	Most Monitors are adequate here.
Personal comptuer running behavioral software with DAQ cards installed	Superlogics	SL-2U-PD-Q87SLQ-BA	Computer for recording neural data
Mains cable for monitor			Usually comes with the monitor, can be purchased at any electronics store.
Monkey Logic software which runs on Matlab 2010A			Free from MonkeyLogic website
MATLAB 2010a software with data acquisition toolbox	Mathworks		Matlab software
sEEG electrodes AD TECH or PMT	AD TECH	2102-##-101	Platinum tip, diameter (0.89 mm, 1 mm, 1.1 mm), uninsulated length 2.3 mm; The ## in the catalog number indicates the number of contacts on the electrode (08, 10, 12, or 16)
Cabrio connectors	PMT	2125-##-01	The ## in the catalog number indicates the number of contacts on the electrode (08, 10, 12, or 16)
Tucker Davis Technologies Amplifier	Tucker Davs Technologies	PZ5	preamplifier for neural data
Tucker Davis Technologies processor	Tucker Davs Technologies	RZ2	Neural signal processor for neural data
TuckerDavis Technologies data streamer	Tucker Davs Technologies	RS4	Data streamer and storage
Fiber optics cables to connect TDT systems	Tucker Davs Technologies	F05	Fiber optic cables for connecting Tucker Davis Technologies' prodcuts.
ribbon cable and snap serial connector for digital markers			Can be ordered from ost electronics stores.
personal computer fro running TDT RPvdsEx and OpenEx software	Superlogics	SL-2U-PD-Q87SLQ-BA	computer for behavioral control
middle atlantics server cabinet with casters	Middle Atlantic Products	PTRK-21	Server case to house all of the research items
Tucker Davis Technologies splitter box to split clinical and research recrodings	Tucker Davs Technologies		This splitter box is a semi-custom device. Researchers should consult the attending neurologists about splitting the research and clinical recordings in a way that doesn't interfere with clinical care.
Researcher monitor with requisite cables	Dell	U2212HMc	Most Monitors are adequate here.
button box power source – 5 volts, 2 amperes			Can be purchased at any electronics store.
TDT optical interface PCI card	Tucker Davs Technologies	P05