Kombinierte Invasive Subcortical und Nicht-invasive Oberflächenneurophysiologische Aufnahmen zur Beurteilung von kognitiven und emotionalen Funktionen beim Menschen
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
Trotz des Erfolgs bei der Anwendung der nicht-invasiven Elektroenzephalographie (EEG), magneto (MEG) und der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI) für wichtige Informationen über den Mechanismus des menschlichen Gehirns zu extrahieren, bleiben solche Methoden nicht genügend Informationen über physiologische bereitzustellen Prozesse reflektieren kognitiven und emotionalen Funktionen auf der subkortikalen Ebene. In dieser Hinsicht bieten moderne invasive klinische Ansätze beim Menschen, wie die tiefe Hirnstimulation (DBS), eine enorme Möglichkeit subcortical Hirnaktivität, nämlich lokale Feldpotentiale (LFP), die kohärente Aktivität neuronaler Baugruppen aus lokalisierten Basalganglien oder Thalamus Regionen aufnehmen . Ungeachtet der Tatsache, dass invasive Ansätze beim Menschen erst nach medizinischer Indikation angewendet werden und somit aufgezeichneten Daten entsprechen veränderten Gehirnschaltungen können wertvolle Einblicke in Bezug auf das Vorhandensein von intakten Gehirnfunktionen in Bezug auf Gehirnschwingungs gewonnen werdenAktivität und die Pathophysiologie von Erkrankungen, in Reaktion auf experimentellen kognitiven Paradigmen. In diese Richtung zielen eine wachsende Zahl von DBS-Studien bei Patienten mit Parkinson-Krankheit (PD) Motorik nicht nur, sondern auch eine höhere Ebene Prozesse wie Emotionen, Entscheidungsfindung, Aufmerksamkeit, Gedächtnis und Sinneswahrnehmung. Neuere klinische Studien betonen auch die Rolle der DBS als Alternative Behandlung bei neuropsychiatrischen Erkrankungen, die von Zwangsstörungen bis hin (OCD) zu chronischen Störungen des Bewusstseins (DOC). Folglich konzentrieren wir uns auf den Einsatz von kombinierten invasive (LFP) und nicht-invasive (EEG) menschliche Gehirn – Aufnahmen in die Rolle der kortikalen-subkortikalen Strukturen in der kognitiven und emotionalen Verarbeitung Trog experimentellen Paradigmen Beurteilung (z. B. Sprachreize mit emotionalen Konnotation oder Paradigmen der kognitiven Kontrolle wie der Flanker-Aufgabe), für Patienten, die eine DBS-Behandlung.
Introduction
Invasive Neurophysiologische Aufnahmen beim Menschen stammen aus Samen Studien electrocorticographic Aufnahmen aus kortikalen Arealen und das Kleinhirn während der Epilepsiechirurgie und Tumorforschung Targeting 1. Ein wichtiger Meilenstein in Weiterentwicklung solcher Aufzeichnungsverfahren hat die Einführung der stereotaktischen Technik gewesen , die zwei sicheren und effizienten Zugang zu tiefen Strukturen des menschlichen Gehirns zur Verfügung stellt. Neben der klinischen Behandlung, Gehirn invasive Ansätze beim Menschen bieten eine ziemlich einzigartige Gelegenheit, die Gehirnfunktion in Bezug auf die aufgezeichneten Aktivitätsmuster durch externe Stimuli moduliert zu untersuchen, insbesondere bei der intra- und postoperativen invasive Aufnahmen bei Patienten tiefen Hirnstimulation unterziehen (DBS ) Verfahren. Die Anwendbarkeit und Nützlichkeit der DBS wurde in verschiedenen neurologischen und neuropsychiatrischen Erkrankungen an der Parkinson-Krankheit (PD) zu Zwangsstörung (OCD) oder Bedingungen wie chro adressiertnic Bewusstseinsstörungen (DOC).
Insbesondere hat DBS in der Behandlung von Parkinson-Krankheit 3,4,5, essentiellem Tremor 6, primär / generali segmentale Dystonie 7,8,9, Huntington-Krankheit 10,11, behandlungsresistenter Depression 12,13, angewendet worden Nicotin und Alkoholsucht 14, Alzheimer-Krankheit 15,16, Tourette-Syndrom 17 und chronische Erkrankung des Bewusstseins (DOC) 18,19,20.
Im Rahmen der Neuropsychiatrie DBS ist eine zugelassene / CE-gekennzeichnete Behandlung für Zwangsstörung (OCD), um den vorderen Schenkel der inneren Kapsel Targeting (ALIC) und ist im Gebrauch die ventrale Kapsel / ventralen Striatum / ventralen Nucleus caudatus Targeting (VC / VS), Nucleus accumbens (NAC) und der Nucleus subthalamicus (STN) 21. In Bezug auf DBS in OCD 22, betonen neuere Studien die Rolle von STN in den Mechanismus der zwanghafte Kontrolleing von speicherbasierten Paradigmen 23,24,25 nutzen.
Bemerkenswert, Modulation der Gehirnaktivität unter dem Einfluss von Paradigmen mit kognitiven und emotionalen Konnotation wurde in DOC 26,27,28,29 betont. Somit wird DBS nicht nur für chronische DOC als prospektive Behandlung hervorgehoben, sondern auch als klinisches Verfahren, das durch die Aufnahme lokaler Feldpotentiale (LFP) vom Zentrum des Thalamus Regionen intra- und post die Möglichkeit, das Studium der Modulation der subcortical Aktivität eröffnet operativ.
In DBS wird neuro Implantation von Elektroden auf der stereotaktischen Technik basieren, die für die Gehirn anatomischen Einschränkungen sicher macht, während Patienten Stimulation durch intraoperative Impuls-Stimulationstests angepasst ist. Postoperative LFP Aufzeichnung möglich nach der anfänglichen Implantation der DBS-Elektroden und vor der Internalisierung des Impulserzeugers. Insbesondere ist die vorliegende Protokoll centered auf postoperative Aufnahmen.
In Kombination mit LFPs können gleichzeitige Aufnahme der kortikalen Gehirnaktivität beispielsweise durch nicht-invasive Elektroenzephalographie (EEG) oder Magnetoenzephalografie (MEG) 30,31 erreicht werden. Diese beiden nicht-invasiven Methoden sind aufgrund ihrer hervorragenden Zeitauflösung unterstützt. Während MEG weniger betroffen als EEG ist durch Schädel – Effekte 32, erscheint EEG vorteilhaft , weil sie weniger durch Artefakte , die durch metallische Implantate und Kopfbewegungen verursacht betroffen ist , und es kann Bett-Seite 33 an den Patienten verwendet werden. Durch gleichzeitige Aufnahme der kortikalen-subkortikalen Hirnaktivität (EEG LFP und / MEG) in Reaktion auf angelegte emotional-kognitiven Paradigmen, unterschiedliche Beziehungen zwischen Gehirn Oszillationen und das Verhalten auf der Grundlage der Zeit-Frequenz – Kopplungsanalysen 34 festgestellt werden konnte. Im Gegenzug könnten solche Muster an potenzielle Biomarker für eine individualisierte kognitiven und emotionalen Zuständen und o des Patienten führenptimization der Behandlungsparameter individualisierten Einstellungen berücksichtigen.
Die folgenden Protokoll festgelegten Ziele invasive und nicht-invasive neurophysiologischen Aufzeichnung beim Menschen für die Beurteilung der kognitiven und emotionalen Funktion, die speziell auf die kortikalen und subkortikalen Ebene (EEG und LFP).
Zunächst erläutert die neurophysiologischen Aufnahmeschritte in dem Video, welches die vorliegende Protokoll begleitet, entsprechen einer Aufnahme mit einem Beispiel Patienten mit Bewegungsstörungen, die die so genannte Flanker Aufgabe (Beispiel 1) durchführt.
Zweitens Schritte in dem Protokoll werden durch die Konzentration auf die Methodik der Analyse und Probenergebnisse genommen aus einem veröffentlichten DBS Beispiel bei chronischen DOC 26 (Beispiel 2) diskutiert.
Diese beiden Beispiele verdeutlichen die Anwendbarkeit des vorgeschlagenen Protokolls zu DBS-behandelten Patienten mit unterschiedlichen Erkrankungen und verschiedenen experimentellen Paradigmen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Im Gegensatz zu nicht-invasive Gehirn-Aufnahmetechniken wie Kopfhaut-EEG und MEG, die vorgeschlagene Kombination invasive und nicht-invasive neurophysiologischen Aufzeichnung Framework bietet eine bemerkenswerte Gelegenheit, Informationen aus kortikalen und subkortikalen Bereichen in Bezug auf kognitiv-emotionale Aufgaben zu extrahieren. Diese Informationen werden vom Gehirn Oszillationen bei mehreren Frequenzbändern und verschiedenen Ebenen der Organisation in Bezug auf Gehirnfunktion 44 reflektiert. Gehirn…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von ERA-NET NEURON / BMBF Deutschland (Tymon) unterstützt. Publikationskosten werden durch einen Zuschuss von der Universitätsklinik Düsseldorf abgedeckt. Die Flanker Aufgabe hier verwendet wurde , von der ursprünglich geplanten Version von Prof. C. Beste und seine Gruppe 47 geändert.
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 |
References
- Foerster, O., Altenburger, H. Elektrobiologische Vorgänge an der menschlichen Hirnrinde. Dtsch. Zschr. Nervenheilk. 135, 277-288 (1934).
- Spiegel, E. A., Wycis, H. T., Marks, M., Lee, A. J. Stereotaxic apparatus for operations on the human brain. Science. 106, 349-350 (1947).
- Okun, M. S. Deep-Brain Stimulation for Parkinson’s disease. N. Engl. J. Med. 367, 1529-1538 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- Volkmann, J., Benecke, R. Deep brain stimulation for dystonia: patient selection and evaluation [Review]. Mov. Disord. 17 (3), 112-115 (2002).
- Hu, W., Stead, M. Deep brain stimulation for dystonia. Transl. Neurodegener. 21 (3(1)), (2014).
- 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).
- Huys, D., et al. Management and outcome of pallidal deep brain stimulation in severe Huntington’s disease. Fortschr. Neurol. Psychiatry. 81, 202-205 (2013).
- Hartmann, C. J., Groiss, S. J., Vesper, J., Schnitzler, A., Wojtecki, L. Brain Stimulation in Huntington’s disease. Neurodegener. Dis. Manag. , (2016).
- 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).
- 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).
- Luigjes, J., et al. Deep brain stimulation in addiction: a review of potential brain targets. Mol. Psychiatry. 17, 572-583 (2012).
- 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).
- Laxton, A. W., Stone, S., Lozano, A. M. The Neurosurgical Treatment of Alzheimer’s Disease: A Review. Stereotact. Funct. Neurosurg. 92, 269-281 (2014).
- Schrock, L. E., et al. Tourette syndrome deep brain stimulation: A review and updated recommendations. Mov. Disord. 30 (4), 448-471 (2015).
- Schiff, N. D., et al. Behavioral improvements with thalamic stimulation after severe traumatic brain injury. Nature. 448, 600-603 (2007).
- Yamamoto, T., Katayama, Y. Deep brain stimulation therapy for the vegetative state. Neuropsychol. Rehabil. 15, 406-413 (2005).
- 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).
- Lipsman, N., Giacobbe, P., Lozano, A. M. Deep brain stimulation in obsessive-compulsive disorder: neurocircuitry and clinical. Handb. Clin. Neurol. 116, 245-250 (2013).
- 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).
- 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).
- Clair, A. H., et al. Excessive checking for non-anxiogenic stimuli in obsessive-compulsive disorder. Eur. Psychiatry. 28 (8), 507-513 (2013).
- 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).
- Wojtecki, L., et al. Modulation of central thalamic oscillations during emotional-cognitive processing in chronic disorder of consciousness. Cortex. 60, 94-102 (2014).
- Menon, D. K., et al. Cortical processing in persistent vegetative state, Wolfson Brain Imaging Centre Team. Lancet. 352 (200), (1998).
- Monti, M. M., et al. Willful modulation of brain activity in disorders of consciousness. New. Engl. J. Med. 362, 579e589 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- Okada, Y., Lähteenmäki, A., Xu, C. Experimental analysis of distortion of magnetoencephalography signals by the skull. Clin. Neurophysiol. 110, 230-238 (1999).
- 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).
- Gross, J. Analytical methods and experimental approaches for electrophysiological studies of brain oscillations. J. Neurosci. Methods. 228, 57-66 (2014).
- 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).
- Mai, K. M., Assheuer, J. K., Paxinos, G. . Atlas of the human brain (2nd edition). , (2004).
- 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).
- 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).
- Maris, E., Oostenveld, R. Non-parametric statistical testing of EEG- and MEG-data. J. Neurosci. Methods. 164, 177-190 (2007).
- 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).
- Maris, E., Schoffelen, J. M., Fries, P. Nonparametric statistical testing of coherence differences. J. Neurosci. Methods. 163, 161-175 (2007).
- 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).
- Ozkurt, T. E., Schnitzler, A. A critical note on the definition of phase-amplitude cross-frequency coupling. J. Neurosci. Methods. 201, 438-443 (2011).
- Schutter, D. J., Knyazev, G. G. Cross-frequency coupling of brain oscillations in studying motivation and emotion. Motiv. Emot. 36 (1), 46-54 (2012).
- Palva, J. M., Palva, S., Kaila, K. Phase synchrony among neuronal oscillations in the human cortex. J. Neurosci. 25 (15), 3962-3972 (2005).
- 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).
- 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).
