Summary

Undersøgelse Funktionen af ​​Deep subkortikale strukturer ved hjælp Stereotaktisk Elektroencefalografi: Erfaringer fra forreste cingulate Cortex

Published: April 15, 2015
doi:

Summary

Stereotaktisk Elektroencefalografi (SEEG) er en operativ teknik, der anvendes i epilepsi kirurgi for at hjælpe lokalisere beslaglæggelse foci. Det giver også en unik mulighed for at undersøge hjernefunktion. Her beskriver vi, hvordan SEEG kan anvendes til at undersøge kognitive processer i mennesker.

Abstract

Stereotaktisk Elektroencefalografi (SEEG) er en teknik, der bruges til at lokalisere beslaglæggelse foci hos patienter med medicinsk intraktabel epilepsi. Denne procedure involverer kronisk placering af flere dybde elektroder i områder af hjernen typisk utilgængelige via subdural gitter elektrodeplacering. SEEG tilvejebringer således en unik mulighed for at undersøge hjernefunktion. I dette papir vi vise, hvordan SEEG kan anvendes til at undersøge den rolle, den dorsale anterior cingulate cortex (DACC) i kognitiv kontrol. Vi inkluderer en beskrivelse af SEEG procedure, hvilket viser den kirurgiske placering af elektroderne. Vi beskriver de komponenter og proces, der er nødvendige for at optage det lokale potentiale felt (LFP) data fra samtykkende individer, mens de er involveret i en adfærdsmæssig opgave. I eksemplet forudsat, spiller fag en kognitiv opgave indblanding, og vi viser, hvordan signaler registreres og analyseres fra elektroder i den dorsale forreste cingulate cortex, et område Intimdelbart involveret i beslutningsprocessen. Vi konkluderer med yderligere forslag af måder, hvorpå denne metode kan bruges til at undersøge de menneskelige kognitive processer.

Introduction

Epilepsi, en fælles neurologisk lidelse karakteriseret ved multiple tilbagevendende anfald over tid, tegner sig for 1% af verdens sygdomsbyrde 1. Anti-epileptiske medicin undlader at kontrollere anfald i 20 – 30% af patienterne 2,3. I disse medicinsk uløselige patienter, er epilepsi kirurgi ofte indikeret 4,5. Beslutningen om at gå videre med kirurgi kræver lokalisere beslaglæggelse fokus, en forudsætning for at formulere en kirurgisk plan. Indledningsvis er ikke-invasive teknikker til lateralize og lokalisere beslaglæggelse fokus. Elektroencefalografi (EEG), for eksempel, indspillet foranstaltninger cortical elektrisk aktivitet fra elektroder placeret på hovedbunden og kan ofte give tilstrækkelige oplysninger om placeringen af ​​beslaglæggelse fokus. Desuden kan magnetisk resonans (MRI) påvise diskrete læsioner, såsom hippocampus sklerose, den klassiske patologi ses i den mest almindelige form for medicinsk epilepsi, mesial temporal lap epilepsi (MTLE).

Ofte imidlertid invasiv oparbejdning er i stand til at identificere en beslaglæggelse fokus. I disse tilfælde er invasiv elektrocorticografi (ECoG) med intracerebrale elektroder kræves for at lokalisere fokus og vejlede yderligere kirurgisk behandling 6. ECoG er en neurofysiologiske teknik, der anvendes til at måle elektriske aktivitet ved hjælp af elektroder placeret i direkte kontakt med hjernen. Gitre eller strimler af overfladen (subduralt) elektroder placeret over overfladen af ​​hjernen, en proces, der kræver en kraniotomi (fjernelse af en knogle klap) og store åbning af dura. Disse overfladeelektroder kan placeres over den formodede område (r) af beslaglæggelse debut. De distale ender af elektroderne er tunneleret gennem små åbninger i huden og forbundet til kontrolapparatet i epilepsi overvågningsenhed (ØMU). I ØMU'en, er patienten overvåges for kliniske anfaldsaktivitet gennem løbende video og ECoG optagelser. Denne teknik is nyttigt for indsamling langsigtede (dage til uger) optagelser af iktal og interictal elektriske udladninger over relativt store områder af kortikale overflade. Mens disse intrakranielle optagelser er uvurderlige klinisk til undersøgelse beslaglæggelse foci og formering, de også give os mulighed for at undersøge kognitive funktion og neurofysiologi i mennesker gennemgår specielt designet adfærdsmæssige opgaver.

ECoG hjælp subduralt grid elektroder er blevet anvendt til at undersøge forskellige aspekter af cortical funktion, herunder sensorisk og sprog forarbejdning. Som et af mange eksempler, Bouchard et al demonstrerede den tidsmæssige koordinering af den mundtlige muskulatur i dannelsen af stavelser for talesprog i den ventrale sensomotoriske cortex, en region identificeret som menneskelig tale sensomotoriske cortex 7. Desuden ECoG med subdural grid placering er også blevet anvendt til at undersøge de mekanismer, som mennesker er i stand til attend til en bestemt stemme i en menneskemængde: den såkaldte "cocktail party effekt '8,9. ECoG optagelser viste, at der er to forskellige neuronale bands som dynamisk spore tale vandløb, både lavfrekvent fase og høj gamma amplitude udsving, og at der er særskilte processeringssteder – en graduering websted, der sporer både højttalere og en 'udvælgelse' websted, der sporer deltog oplæseren 5.

Et andet nyt anvendelse af ECoG med subdural elektrodeplacering er potentialet for brug med Brain Computer Interfaces (BCIS), som "afkode" neuronal aktivitet for at drive en ekstern udgang. Denne teknologi har potentiale til at lade patienter med svær hjerne eller rygmarvsskader at kommunikere med verden og manipulere proteser 10,11.

Mens subdural grid placering har i høj grad bidraget til vores forståelse af supercielle kortikale områder og er nyttig til at identificere kortikale epileptogene foci denne teknik kræver en kraniotomi og dets medfølgende risici og er generelt begrænset til at studere den ydre overflade af hjernen. Stereotaktisk elektroencefalografi (SEEG) er en teknik, der muliggør en evaluering af dyb epileptogen foci 12. Med en lang historie af brug i Frankrig og Italien, er det også i stigende grad anvendes i USA 13. SEEG indebærer placeringen af ​​flere elektroder (typisk 10-16) dybt i substansen af ​​hjernen gennem små (få mm) spiralboret burr huller. Fordele ved SEEG end subdural gitter placering omfatter dens mindre invasive natur, den lette behandlingen bilaterale halvkugler når det kræves, og evnen til at generere tredimensionelle kort over beslaglæggelse formering. Desuden er disse elektroder gør det muligt at identificere dyb epileptogen foci der tidligere var vanskeligt at identificere med overfladeelektroder. Denne procedure også providES mulighed for at undersøge neurofysiologi og funktion af dybe corticale strukturer, såsom det limbiske system, mesoparietal cortex, den mesotemporal cortex og orbitofrontal cortex, som alle var tidligere vanskeligt direkte at undersøge i mennesker.

Dette papir viser, hvordan SEEG kan anvendes til at undersøge den kognitive funktion i den dorsale anterior cingulate cortex (DACC). Den DACC er en bredt undersøgt område af hjernen, men det er også et af de mest dårligt forstået. Betragtes som en væsentlig region for menneskelig kognition, er det sandsynligt, at DACC er centralt for den dynamiske neurale behandling af afgørelser i forbindelse med løbende skiftende krav pålagt af miljøet 14. Studier i både primater 15,16 og mennesker 17 tyder på, at DACC integrerer potentielle risici og fordele ved en given handling, især i situationer med flere samtidige modstridende krav 18-21, og modulates disse beslutninger i forbindelse med tidligere handlinger og deres resultater 14,22,23.

Multi-Source Interference Task (MSIT), en Stroop-lignende adfærdsmæssige opgave, bruges ofte til at undersøge konflikter forarbejdning i DACC. Den MSIT opgave aktiverer DACC ved at rekruttere neuroner involveret i flere domæner for forarbejdning reguleret af DACC 24,25. Denne opgave specifikt aktiverer DACC ved at teste funktioner i beslutningsprocessen, afsløring mål, nyhed opdagelse, fejlfinding, selektionsrespons, og konkurrencen stimulus / respons. Desuden MSIT opgave introducerer flere dimensioner af kognitiv forstyrrelse, der er brugt i denne undersøgelse at undersøge DACC neurale reaktioner på samtidige modstridende stimuli ved hjælp SEEG.

Protocol

Sørg for, at hver patient er gennemgået for egnethed til forskningsundersøgelse, og passende patienter skal samtykket til deltagelse i undersøgelsen i henhold til lokale IRB procedurer. 1. Patientudvælgelse for SEEG og forskning Patientudvælgelse for SEEG Bemærk: epilepsipatienter skal klinisk vurderes af et tværfagligt team bestående af epileptologer, neuropsykologer og neurokirurger. Sørg for, at patienten har medicinsk refraktær omdrejningspunkt epile…

Representative Results

Når en patient er valgt for SEEG elektrodeplacering, han / hun gennemgår en volumetrisk T2 og T1 kontrast forstærket MRI. Seeg elektrode baner derefter planlagt ved hjælp af stereotaktisk navigation af volumetriske MRI-sekvenser (figur 1). Denne teknik giver mulighed for samling af lokale feltpotentialer fra strukturer dybt inde i cortex, såsom dorsale forreste cingulate cortex (lys orange bane, figur 1), som ikke ville være muligt med typiske overflade elektrodeplacering. Post-op…

Discussion

I dette papir blev SEEG brugt til at undersøge aktiviteten af ​​lokale neuronale populationer i DACC under en beslutningsproces opgave hos mennesker. Tidligere arbejde har undersøgt aktiviteten af enkelte neuroner i DACC hjælp intraoperative microelectode optagelser 14 og viste, at DACC aktivitet moduleres af tidligere aktivitet. Mikroelektrode undersøgelser muliggøre efterforskningen af ​​spiking aktivitet af individuelle neuroner. SEEG måler storformatprintere, der er relateret til de summered…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne har ingen bekræftelser eller finansielle oplysninger.

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

Riferimenti

  1. Murray, C. J., Lopez, A. D., Jamison, D. T. The global burden of disease in 1990: summary results, sensitivity analysis and future directions. Bulletin of the World Health Organization. 72, 495 (1994).
  2. Berg, A. T. Understanding the delay before epilepsy surgery: who develops intractable focal epilepsy and when. CNS Spectr. 9, 136-144 (2004).
  3. Hauser, W. A. . Epilepsy: frequency, causes and consequences. , (1990).
  4. Wiebe, S., Blume, W. T., Girvin, J. P., Eliasziw, M. A Randomized, Controlled Trial of Surgery for Temporal-Lobe Epilepsy. New England Journal of Medicine. 345, 311-318 (2001).
  5. Fisher, R. Electrical stimulation of the anterior nucleus of thalamus for treatment of refractory epilepsy. Epilepsia. 51, 899-908 (2010).
  6. Zumsteg, D., Wieser, H. G. Presurgical evaluation: current role of invasive EEG. Epilepsia. 41, S55-S60 (2000).
  7. Bouchard, K. E., Mesgarani, N., Johnson, K., Chang, E. F. Functional organization of human sensorimotor cortex for speech articulation. Nature. 495, 327-332 (2013).
  8. Zion Golumbic, E. M. Mechanisms underlying selective neuronal tracking of attended speech at a ‘cocktail party’. Neuron. 77, 980-991 (2013).
  9. Mesgarani, N., Chang, E. F. Selective cortical representation of attended speaker in multi-talker speech perception. Nature. 485, 233-236 (2012).
  10. Leuthardt, E. C., Miller, K. J., Schalk, G., Rao, R. P. N., Ojemann, J. G. Electrocorticography-based brain computer Interface-the seattle experience. Neural Systems and Rehabilitation Engineering, IEEE Transactions on. 14, 194-198 (2006).
  11. Leuthardt, E. C., Schalk, G., Wolpaw, J. R., Ojemann, J. G., Moran, D. W. A brain-computer interface using electrocorticographic signals in humans. Journal of neural engineering. 1, 63-71 (2004).
  12. Talairach, J. New approach to the neurosurgery of epilepsy. Stereotaxic methodology and therapeutic results. 1. Introduction and history. Neurochirurgie. 20, 1-240 (1974).
  13. Gonzalez-Martinez, J. Stereotactic placement of depth electrodes in medically intractable epilepsy. Journal of neurosurgery. 120, 639-644 (2014).
  14. Sheth, S. A. Human dorsal anterior cingulate cortex neurons mediate ongoing behavioural adaptation. Nature. 488, 218-221 (2012).
  15. Hayden, B. Y., Platt, M. L. Neurons in anterior cingulate cortex multiplex information about reward and action. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 30, 3339-3346 (2010).
  16. Hayden, B. Y., Pearson, J. M., Platt, M. L. Fictive Reward Signals in the Anterior Cingulate Cortex. Science. 324, 948-950 (2009).
  17. Williams, Z. M., Bush, G., Rauch, S. L., Cosgrove, G. R., Eskandar, E. N. Human anterior cingulate neurons and the integration of monetary reward with motor responses. Nature neuroscience. 7, 1370-1375 (2004).
  18. Botvinick, M., Nystrom, L. E., Fissell, K., Carter, C. S., Cohen, J. D. Conflict monitoring versus selection-for-action in anterior cingulate cortex. Nature. 402, 179-181 (1999).
  19. Carter, C. S., Van Veen, V. Anterior cingulate cortex and conflict detection: an update of theory and data. Cognitive, Affective, & Behavioral Neuroscience. 7, 367-379 (2007).
  20. Botvinick, M. M., Cohen, J. D., Carter, C. S. Conflict monitoring and anterior cingulate cortex: an update. Trends in cognitive sciences. 8, 539-546 (2004).
  21. Veen, V., Carter, C. S. The anterior cingulate as a conflict monitor: fMRI and ERP studies. Physiology & Behavior. 77, 477-482 (2002).
  22. Kennerley, S. W., Walton, M. E., Behrens, T. E. J., Buckley, M. J., Rushworth, M. F. S. Optimal decision making and the anterior cingulate cortex. Nat Neurosci. 9, 940-947 (2006).
  23. Brown, J. W., Braver, T. S. Learned predictions of error likelihood in the anterior cingulate cortex. Science. 307, 1118-1121 (2005).
  24. Bush, G., Shin, L. M., Holmes, J., Rosen, B. R., Vogt, B. A. The Multi-Source Interference Task: validation study with fMRI in individual subjects. Mol Psychiatry. 8, 60-70 (2003).
  25. Bush, G., Shin, L. M. The Multi-Source Interference Task: an fMRI task that reliably activates the cingulo-frontal-parietal cognitive/attention network. Nature protocols. 1, 308-313 (2006).
  26. Candelaria, L. M., Smith, R. K. Propofol infusion technique for outpatient general anesthesia. J Oral Maxillofac Surg. 53, 124-128 (1995).
  27. Shafer, A., Doze, V. A., Shafer, S. L., White, P. F. Pharmacokinetics and pharmacodynamics of propofol infusions during general anesthesia. Anesthesiology. 69, 348-356 (1988).
  28. Cohen, D. S., Lustgarten, J. H., Miller, E., Khandji, A. G., Goodman, R. R. Effects of coregistration of MR to CT images on MR stereotactic accuracy. J Neurosurg. 82, 772-779 (1995).
  29. Ken, S. Quantitative evaluation for brain CT/MRI coregistration based on maximization of mutual information in patients with focal epilepsy investigated with subdural electrodes. Magn Reson Imaging. 25, 883-888 (2007).
  30. Niemann, K., Naujokat, C., Pohl, G., Wollner, C., von Keyserlingk, D. Verification of the Schaltenbrand and Wahren stereotactic atlas. Acta neurochirurgica. 129, 72-81 (1994).
  31. Nowinski, W. L. Anatomical targeting in functional neurosurgery by the simultaneous use of multiple Schaltenbrand-Wahren brain atlas microseries. Stereotact Funct Neurosurg. 71, 103-116 (1998).
  32. Hopper, W. R., Moss, R. Common breaks in sterile technique: clinical perspectives and perioperative implications. AORN J. 91, 350-364 (2010).
  33. Mangram, A. J., Horan, T. C., Pearson, M. L., Silver, L. C., Jarvis, W. R. Guideline for prevention of surgical site infection. Hospital Infection Control Practices Advisory Committee. Infect Control Hosp Epidemiol. 20, 250-278 (1999).
  34. Asaad, W. F., Eskandar, E. N. A flexible software tool for temporally-precise behavioral control in Matlab. Journal of Neuroscience Methods. 174, 245-258 (2008).
  35. Asaad, W. F., Eskandar, E. N. Achieving behavioral control with millisecond resolution in a high-level programming environment. Journal of Neuroscience Methods. 173, 235-240 (2008).
  36. Bokil, H., Andrews, P., Kulkarni, J. E., Mehta, S., Mitra, P. P. Chronux: A platform for analyzing neural signals. Journal of Neuroscience Methods. 192, 146-151 (2010).
  37. Bokil, P. M. a. H. . Observed Brain Dynamics. , (2008).
  38. Chronux. . , (2014).
  39. Miller, K. J. Broadband Spectral Change: Evidence for a Macroscale Correlate of Population Firing Rate. The Journal of Neuroscience. 30, 6477-6479 (2010).
  40. Buzsáki, G., Anastassiou, C. A., Koch, C. The origin of extracellular fields and currents — EEG, ECoG, LFP and spikes. Nat Rev Neurosci. 13, 407-420 (2012).
  41. Carter, C. S. Anterior cingulate cortex, error detection, and the online monitoring of performance. Science. 280, 747-749 (1998).
  42. Botvinick, M., Nystrom, L. E., Fissell, K., Carter, C. S., Cohen, J. D. Conflict monitoring versus selection-for-action in anterior cingulate cortex. Nature. 402, 179-181 (1999).
  43. Holroyd, C. B., Coles, M. G. The neural basis of human error processing: reinforcement learning, dopamine, and the error-related negativity. Psychological review. 109, 679-709 (2002).
  44. Shenhav, A., Botvinick, M. M., Cohen, J. D. The expected value of control: an integrative theory of anterior cingulate cortex function. Neuron. 79, 217-240 (2013).
  45. Roesch, M. R., Olson, C. R. Neuronal Activity Related to Reward Value and Motivation in Primate Frontal Cortex. Science. 304, 307-310 (2004).
  46. Croxson, P. L. Quantitative Investigation of Connections of the Prefrontal Cortex in the Human and Macaque using Probabilistic Diffusion Tractography. The Journal of Neuroscience. 25, 8854-8866 (2005).
  47. Rushworth, M. F. S., Behrens, T. E. J., Rudebeck, P. H., Walton, M. E. Contrasting roles for cingulate and orbitofrontal cortex in decisions and social behaviour. Trends in Cognitive Sciences. 11, 168-176 (2007).
  48. Kawasaki, H. Single-neuron responses to emotional visual stimuli recorded in human ventral prefrontal cortex. Nat Neurosci. 4, 15-16 (2001).
  49. Wang, S. Neurons in the human amygdala selective for perceived emotion. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111, E3110-E3119 (2014).
  50. Milad, M. R., Rauch, S. L. The role of the orbitofrontal cortex in anxiety disorders. Annals of the New York Academy of Sciences. 1121, 546-561 (2007).
  51. Milad, M. R., Rauch, S. L. Obsessive-compulsive disorder: beyond segregated cortico-striatal pathways. Trends Cogn Sci. 16, 43-51 (2012).
  52. Raichle, M. E. A default mode of brain function. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 98, 676-682 (2001).
  53. David, N. Neural representations of self versus other: visual-spatial perspective taking and agency in a virtual ball-tossing game. Journal of cognitive neuroscience. 18, 898-910 (2006).
  54. Kjaer, T. W., Nowak, M., Lou, H. C. Reflective self-awareness and conscious states: PET evidence for a common midline parietofrontal core. NeuroImage. 17, 1080-1086 (2002).
  55. Kircher, T. T. The neural correlates of intentional and incidental self processing. Neuropsychologia. 40, 683-692 (2002).
  56. Addis, D. R., McIntosh, A. R., Moscovitch, M., Crawley, A. P., McAndrews, M. P. Characterizing spatial and temporal features of autobiographical memory retrieval networks: a partial least squares approach. NeuroImage. 23, 1460-1471 (2004).
  57. Gilboa, A., Winocur, G., Grady, C. L., Hevenor, S. J., Moscovitch, M. Remembering our past: functional neuroanatomy of recollection of recent and very remote personal events. Cerebral cortex (New York, N.Y. : 1991). 14, 1214-1225 (2004).
  58. Cavanna, A. E., Trimble, M. R. The precuneus: a review of its functional anatomy and behavioural correlates. Brain: a journal of neurology. 129, 564-583 (2006).
check_url/it/52773?article_type=t

Play Video

Citazione di questo articolo
McGovern, R. A., Ratneswaren, T., Smith, E. H., Russo, J. F., Jongeling, A. C., Bateman, L. M., Schevon, C. A., Feldstein, N. A., McKhann, II, G. M., Sheth, S. Investigating the Function of Deep Cortical and Subcortical Structures Using Stereotactic Electroencephalography: Lessons from the Anterior Cingulate Cortex. J. Vis. Exp. (98), e52773, doi:10.3791/52773 (2015).

View Video