Udførelse Adfærdsmæssige opgaver hos forsøgspersoner med Intrakranielle elektroder

Summary

Patienter implanteret med intrakranielle elektroder giver en enestående mulighed for at optage neurologiske data fra flere områder af hjernen, mens patienten udfører adfærdsmæssige opgaver. Her præsenterer vi en metode til optagelse fra implanterede patienter, der kan være reproducerbar ved andre institutioner med adgang til denne patientgruppe.

Abstract

Patienter, der har stereo-electroencefalografi (SEEG) elektrode, subduralt gitter eller dybde elektrode implantater har et væld af elektroder implanteret i forskellige områder af deres hjerne til lokalisering af deres beslaglæggelse fokus og veltalende områder. Efter implantation, skal patienten forblive på hospitalet, indtil den patologiske område hjernen er fundet og eventuelt resekteret. I løbet af denne tid, disse patienter giver en unik mulighed for at forskersamfundet, fordi enhver række adfærdsmæssige paradigmer kan udføres for at afdække den neurale korrelerer at guide adfærd. Her præsenterer vi en metode til registrering af hjernens aktivitet fra intrakranielle implantater som fag udføre en adfærdsmæssig opgave designet til at vurdere beslutningsprocessen og belønning kodning. Alle elektrofysiologiske data fra de intrakranielle elektroder registreres i den adfærdsmæssige opgave, der giver mulighed for undersøgelse af de mange områder i hjernen, der er involveret i en enkelt funktion på tidsskalaer relevant for adfærd.Desuden og i modsætning til dyreforsøg, humane patienter kan lære en bred vifte af adfærdsmæssige opgaver hurtigt, giver mulighed for evnen til at udføre mere end én opgave i det samme emne eller udfører kontrol. På trods af de mange fordele ved denne teknik til at forstå den menneskelige hjerne fungerer, er der også metodologiske begrænsninger, som vi diskuterer, herunder miljømæssige faktorer, analgetiske virkninger, tidspres og optagelser fra sygt væv. Denne metode kan let gennemføres af enhver institution, der udfører intrakranielle vurderinger; giver mulighed for direkte at undersøge menneskelige hjerne funktion under opførsel.

Introduction

Epilepsi er en af ​​de mest almindelige hjernesygdomme, kendetegnet ved kronisk tilbagevendende anfald som følge af overdreven elektriske udladninger fra grupper af neuroner. Epilepsi påvirker omkring 50 millioner mennesker verden over, og omkring 40% af alle personer med epilepsi har uløselige anfald, kan ikke helt blive kontrolleret af medicinsk behandling ^1. Kirurgi kan resultere i beslaglæggelse fri status, hvis de områder i hjernen, der er ansvarlige for generering af anfald (den epileptogen zone – EZ) lokaliseres og fjernes kirurgisk eller afbrudt. For at definere den anatomiske placering af EZ og dets nærhed med mulige subkortikale veltalende områder, en række non-invasive værktøjer er tilgængelige: analyse af beslaglæggelse semiologi, video-hovedbund elektroencefalografiske optagelser (Ictal og interictal optagelser), neuropsykologiske test , magnetoencephalography (MEG) og MR ^2. Når invasiv data er utilstrækkelige til precisely definere placeringen af hypotetiske EZ, når der er mistanke om tidlig inddragelse af veltalende subkortikale områder, eller når der er mulighed for multi-fokale anfald, kan kronisk invasiv monitorering kræves ^3,4.

Metoder til kronisk invasiv monitorering for at definere beliggenhed og grænser en EZ kan omfatte subduralt net og strimler, med elektroder placeret på hjernens overflade, og stereo-electroencefalografi (SEEG), når flere dybde elektroder er placeret i hjernen i en tre- dimensional mode. Subdural intrakranielle optagelser blev oprindeligt rapporteret i 1939, da Penfield og kolleger brugte epidural enkelt kontaktløse elektroder i en patient med en gammel venstre tidsmæssig-parietale fraktur, og hvis pneumoencephalography afsløres diffus cerebral atrofi ^5. Efterfølgende brug af subduralt grid arrays blev mere populær efter flere publikationer i 1980'erne demonstrerede deressikkerhed og effektivitet ^6. Seeg metoden blev udviklet og populariseret i Frankrig af Jean Tailarach og Jean Bancaud løbet af 50'erne og har været mest brugt i Frankrig og Italien som den foretrukne metode for invasiv kortlægning af refraktær fokal epilepsi ^7-9.

Princippet om SEEG er baseret på anatomisk-elektro-kliniske sammenhænge, ​​der tager sit hovedprincip 3-dimensionelle rumlige-temporale organisering af epileptiske udledning i hjernen i sammenhæng med beslaglæggelse semiologi. Implantationen Strategien er individualiseret, med elektrode placering baseret på en præimplantationsperioden hypotese, der tager hensyn til den primære organisering af epileptiforme aktivitet og den hypotetiske epileptisk netværk er involveret i udbredelsen af ​​anfald. Ifølge flere europæiske og de seneste nordamerikanske rapporter SEEG metoden muliggør præcise optagelser fra dybe subkortikale strukturer, multipel usammenhængende lobes, og bilaterale udforskninger samtidig undgå behovet for store craniotomies ^10-15. Bagefter postoperative taget billeder for at opnå den nøjagtige anatomiske placering af de implanterede elektroder. Efterfølgende en opfølgningsperiode på starter, hvor patienter forbliver på hospitalet i en periode på 1 til 4 uger for at indspille interictal og Ictal aktiviteter fra de implanterede elektroder. Denne overvågning periode er et belejligt tidspunkt til at studere hjernens funktion ved hjælp af event-relaterede SEEG analyse, da der ikke er nogen øget risiko, og patienten typisk ser forskningsundersøgelse som en velkommen udsættelse fra den verdslige overvågningsperiode. Optagelserne garnered fra intrakranielle elektroder er ikke kun afgørende for en forbedret evaluering og pleje af epilepsipatienter, men derudover giver den enestående mulighed for at studere menneskelige hjerne aktivitet under adfærdsmæssige paradigmer.

Flere forskere har allerede indset mulighed for at studere invasive optagelser fraepilepsipatienter. Hill et al. Rapporterede om metoden til optagelse electrocorticographic (ECoG) signaler fra patienter til funktionel kortikal kortlægning ^16. ECoG optagelser har også givet indsigt til motor-sprog kobling ^17. Patienter med implanterede dybde elektroder har udført navigations opgaver at studere hjernens svingninger i hukommelsen, læring ¹⁸ og bevægelse ^19. Dybde elektrode optagelser blev også brugt til at studere paradigmer med ellers uopnåelige tidsopløsning såsom hippocampus fremkaldt aktivitet ^20, neurale aktivitet i standard-mode netværk ^21, og den tidsmæssige forløb følelsesmæssig behandling ^22. Hudry m.fl. studerede patienter med FLE der havde Seeg elektroder implanteret i deres amygdala for kortsigtede olfaktoriske stimuli matchende ^23. En anden gruppe har studeret simple benbevægelser såsom hånd fleksion eller ensidig bevægelse af hånd eller fod i sund brain sites fra epileptiske patienter med implanteret SEEG ^24,25.

De ovenfor beskrevne undersøgelser er et lille udsnit af en meget forskelligartet samling af relevant litteratur. Der eksisterer en uoverstigelig potentiale til at lære og forstå, hvordan den menneskelige hjerne fungerer ved hjælp af en kombination af adfærdsmæssige opgaver og intrakranielle optagelser. Mens der er andre metoder til at nå dette mål, intrakranielle optagelser har flere fordele, herunder høj tidslig og rumlig opløsning samt adgang til dybere strukturer. Forfatterne til formål at beskrive den generelle metode til optagelse fra patienter med intrakranielle elektroder under adfærdsmæssige opgaver. Men der er flere afskrækkelsesmidler og barrierer for succes gennemfører klinisk forskning i patienter, der får behandling. Begrænsninger, forstyrrende effekter og betydningen af ​​denne forskning vil også blive identificeret og udforsket.

Protocol

Alle opgaver blev udført i overensstemmelse med en godkendt protokol forelægges Institutional Review Board (IRB) i Cleveland Clinic Foundation. Et informeret samtykke proces blev gennemført med hver patient forud for alle forskningsaktiviteter. I dette eksempel, et emne, der opfylder undersøgelse kriterium, der har haft stereo-electroencefalografi (Seeg) elektroder implanteret for beslaglæggelse er valgt. Projektet blev drøftet med emnet, og de har givet deres samtykke til at deltage. 1….

Representative Results

I disse resultater præsenterer vi analysen af ​​Seeg data fra det limbiske system fanget i et emne spille krig Opgave. Vi kan påvise, at forskellige aspekter af krigen Task fremkalde signifikant gamma-band (40 – 150 Hz) graduering i det limbiske system (figur 1). Som det ses, i den visuelle cortex, præsentationen af ​​et objekt på resultaterne skærm i en hurtig ventetid (~ 200 ms) bredt bånd svar uanset opgaven uforudsete. Desuden synes der at være forskelle i varighed af respons under be…

Discussion

Her har vi præsenteret en metode til udførelse af intrakranielle elektrofysiologiske studier i mennesker, da de udøver en adfærdsmæssig opgave. Denne metode og dens simple permutationer er vigtige for at studere menneskelig bevægelse og kognition. Mens der i sagens natur findes fordele og ulemper til enhver teknik, optagelse fra intrakranielle elektroder har fordele frem for andre elektrofysiologiske og billeddannende teknikker. To af de store fordele er evnen til at indsamle data af høj kvalitet med bedre kontro…

Materials

InMotion ARM	Interactive Motion Technologies	InMotion Arm	http://interactive-motion.com/inmotion-arm-the-new-standard-of-care/ Equipment our lab used, can use other equipment to collect data
MATLAB	Mathworks Inc	MATLAB	http://www.mathworks.com/ Need version r2007b or higher to run Monkeylogic
Data Acquisition Toolbox	Mathworks Inc	Data Acquisition Toolbox	http://www.mathworks.com/products/daq/ Must have to run Monkeylogic
Image Processing Toolbox	Mathworks Inc	Image Processing Toolbox	http://www.mathworks.com/products/image/ Must have to run Monkeylogic
Monkeylogic	Wael Asaad and David Freedman	Monkeylogic	http://www.brown.edu/Research/monkeylogic/ Free download, must have MATLAB to run
Chronux	Medametrics, LLC	Data Processing Toolbox	http://www.chronux.org/
Brainstorm		MEG/EEG Analysis Application	http://neuroimage.usc.edu/brainstorm/
Laptop	Dell	Latitude E5530	http://www.dell.com/us/business/p/latitude-e5530/pd?ST=dell%20latitude%20e5530&dgc=ST&cid=263756&lid=4781504&acd=12309152537461010
NI Card	National Instruments	NI USB-6008	http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/201986 12-Bit, 10 kS/s Low-Cost Multifunction DAQ