باستخدام Saccadometry مع ديب تحفيز الدماغ لدراسة العادية والمرضية وظيفة الدماغ
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
في السنوات الأخيرة كان هناك اهتمام متزايد في استخدام قياسات أوقات رد الفعل كوسيلة الكمية وغير الغازية من الحصول على معلومات حول آليات مستوى عال من صنع القرار 1 العصبي. نوع واحد من وقت رد الفعل التي تمت دراستها على نطاق واسع هو الوقت الذي يستغرقه لبدء حركة العين على عرض الحوافز البصري، والمعروفة باسم الكمون رمشي. Saccades هي حركات العين السريعة التي تحدث عندما ننتقل بسرعة انظارنا من مكان إلى آخر. وهي النوع الأكثر شيوعا من حركات العين التي نتخذها، التي تحدث على تردد عادة اثنين أو ثلاثة في الثانية الواحدة. كل حركة العين هو في الواقع قرار للنظر في جديلة واحدة في العالم المرئي بدلا من 2 آخر.
وقد تم دراسة المسارات العصبية السيطرة على حركات العين على نطاق واسع، وإلى حد ما موثقة جيدا 3. استخدام المعدات الإلكترونية الحساسة، ويمكن جوانب وظيفة المحرك للعين يكون بدقة وبموضوعيهكميا ذ. هذا يسهل دراسة تفصيلية لحركات العين نفسها ولكن أيضا يسمح لهم لاستخدامها كأداة لتحقيق المناطق الأخرى من علم وظائف الأعصاب والفسيولوجيا المرضية.
قياس حركة العين يمكن أن توفر معلومات مفيدة حول الحالات المرضية. في الآونة الأخيرة، على سبيل المثال، تلقى حركات العين رمشي نفس القدر من الاهتمام المؤشرات الحيوية المحتملة في الاضطرابات العصبية بما في ذلك الأمراض هنتنغتون 4،5 و 6،7 باركنسون، وثبت أيضا أن زمن رد الفعل رمشي تميل إلى أن تكون أبطأ من المعتاد في مثل هذه الظروف. وتشمل الاستخدامات المحتملة لقياس رمشي المساعدات للتشخيص وتتبع المرض. وتتراوح مهام رمشي من prosaccade بسيطة (النظر في أسرع وقت ممكن نحو التحفيز البصري التي تظهر فجأة إلى اليسار أو اليمين) إلى مهام أكثر تعقيدا مثل antisaccade (أبحث في أسرع وقت ممكن إلى الجانب المعاكس لحافز البصرية) أو في الذاكرة حركة العين المصحوبة بمرشدين (أبحثنحو موقع تذكرت من الهدف الذي لم يعد هناك).
تحفيز الدماغ العميق هو علاج فعال للعديد من الحالات العصبية. هو الأكثر شيوعا لعلاج الأعراض الحركية لمرض الشلل الرعاش بما في ذلك الزلزال، وصلابة، بطء الحركة، وخلل الحركة. كما انها تستخدم لاضطرابات الحركة الأخرى بما في ذلك خلل التوتر ورعاش، وأقل شيوعا لآلام الأعصاب، والصرع، والحالات النفسية مثل الوسواس القهري. ذلك هو الإعداد الوحيد الذي العلماء من الحصول الكهربائي المباشر إلى البنى العميقة من الدماغ البشري في الجسم الحي، وبالتالي يوفر فرصة ثمينة لعلم الأعصاب التجريبي. مجموعة متنوعة من الأهداف وحفز تبعا للحالة التي تتم معالجتها، بما في ذلك عدة مواقع في العقد القاعدية، وكثير منها تشارك في مسارات المحرك للعين. وهذا يعني أن مجموعة واسعة من الدراسات يمكن أن تتم باستخدام نظام DBS لتقديم التحفيزإلى موقع دماغية معينة وجهاز تتبع العين لتسجيل وتحليل آثاره. اعتمادا على النموذج التجريبي، قد تسفر عن مثل هذه الدراسات معلومات عن علم وظائف الأعضاء في المنطقة التي حفزت، وآثار هذا المرض، أو الآلية التي تعمل DBS في ذلك وضع معين. توضح هذه المقالة النهج العام لرمشي اختبار حركة العين في المرضى الذين يعانون ديب تحفيز الدماغ.
تتوفر العديد من أنواع مختلفة من المعدات تتبع العين. للبحث الموصوفة في هذا البروتوكول تم استخدام saccadometer المحمولة لتسجيل حركات العين رمشي الأفقية. saccadometers المحمولة لديها ميزة لا تتطلب ضبط النفس الرأس (انظر الشكل 1)، وهو ما يعني أن الجلسات أكثر راحة للمرضى الذين يعانون من مرض باركنسون، وخاصة لأولئك الذين يعانون من خلل الحركة الشديدة. وsaccadometer المستخدمة هنا هي خفيفة الوزن وحوالي 5 سم و 10 سم. في قنينة saccadometerالحركات الدقة العين عن طريق استخدام الأشعة تحت الحمراء تخطيط حركات العين المباشر: مصدر الأشعة تحت الحمراء وأجهزة الاستشعار وضعه أمام سطي ضوء استخدام لحاظ المنعكس من القرنية إلى تحديد موقف التناوب من مقلة العين على فترات ميلي ثانية واحدة. من أجل الحصول على بيانات ذات نوعية جيدة للتحليل يجب أخذ عينات من saccadometer بمعدل لا يقل عن 1 كيلو هرتز مع قرار 12 بت على الأقل. في saccadometer المستخدمة هنا كانت المثيرات البصرية ثلاثة الحمراء 13 قرص م -2 بقع الضوء التي تنتجها بني في الليزر منخفض الطاقة، كل بقعة subtending بعض 0.1 درجة، مع بقعة واحدة في خط الوسط واثنين آخرين في ± 10 درجة (أي ، إلى اليمين واليسار).
شنت الشكل 1. Saccadometer. رئيس saccadometer يعلق على شريط مطاطي ويستريح على جسر الأنف. أربعة ليزر مصغرة يستهدف المشروع البصرييتم قياس الصورة إلى سطح لامع، وحركات العين المشارك من قبل التفاضلية محولات انعكاس الأشعة تحت الحمراء على الجانب الأنفي من كل عين. كما تتحرك الأهداف الليزر مع الرأس، وليس مطلوبا من مساند الرأس. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Protocol
Representative Results
Discussion
العامل الأكثر أهمية في الحصول على بيانات رمشي نوعية جيدة هو ضمان أن التعليمات أعطيت للمشارك واضحة ودقيقة. على سبيل المثال، إذا كانت تعليمات للقيام بهذه المهمة antisaccadic ليست واضحة تماما، ومن المرجح أن تنفيذ prosaccades بدلا المشارك. قد تكون التسجيلات أيضا مدلل إذا المشارك ل?…
Divulgations
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).
