Étude de la fonction de Deep corticale et structures sous-corticales Utilisation stéréotaxique électroencéphalographie: Leçons du cortex cingulaire antérieur

Summary

Stéréotaxique électroencéphalographie (SEEG) est une technique opératoire utilisé dans la chirurgie de l'épilepsie pour aider à localiser la saisie foyers. Il offre également une occasion unique d'étudier le fonctionnement du cerveau. Ici, nous décrivons comment la SEEG peut être utilisée pour étudier les processus cognitifs chez les sujets humains.

Abstract

Stéréotaxique électroencéphalographie (SEEG) est une technique utilisée pour localiser la saisie foyers chez les patients atteints d'épilepsie réfractaire médicalement. Cette procédure implique la mise en place d'électrodes multiples chronique de profondeur dans des régions du cerveau généralement inaccessible par l'intermédiaire de sous-dural placement de l'électrode de grille. SEEG fournit donc une occasion unique d'étudier le fonctionnement du cerveau. Dans cet article, nous montrons comment la SEEG peut être utilisée pour étudier le rôle de la dorsale cortex cingulaire antérieur (CACD) dans le contrôle cognitif. Nous incluons une description de la procédure SEEG, démontrant la mise en place chirurgicale des électrodes. Nous décrivons les composants et processus nécessaires à l'enregistrement potentiel de champ local (LFP) des données de consentir sujets alors qu'ils sont engagés dans une tâche comportementale. Dans l'exemple fourni, les sujets jouent une tâche d'interférence cognitive, et nous montrent comment les signaux sont enregistrés et analysés à partir d'électrodes dans le cortex cingulaire antérieur dorsal, une région intimment impliqué dans la prise de décision. Nous concluons avec d'autres suggestions de la manière dont cette méthode peut être utilisée pour étudier les processus cognitifs humains.

Introduction

Épilepsie, un trouble neurologique courant caractérisé par de multiples crises récurrentes au fil du temps, représente 1% de la charge mondiale des maladies ^1. Les médicaments anti-épileptiques ne parviennent pas à contrôler les crises dans 20 à 30% des patients ^2,3. Chez ces patients médicalement intraitables, chirurgie de l'épilepsie est souvent indiquée ^4,5. La décision de procéder à une chirurgie nécessite localiser l'objet de saisie, une condition préalable à la formulation d'un plan chirurgical. Initialement, des techniques non invasives sont utilisés pour latéraliser et localiser le foyer de la saisie. Électroencéphalographie (EEG), par exemple, l'activité électrique corticale mesures enregistrées à partir des électrodes placées sur le cuir chevelu et peut souvent fournir suffisamment d'informations sur l'emplacement de l'accent de la saisie. En outre, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) peut démontrer des lésions discrètes, telles que la sclérose de l'hippocampe, la pathologie classique vu dans la forme la plus courante d'épilepsie médicalement intraitables, mésiale tépilepsie emporal (de MTLE).

Souvent, cependant, le bilan non invasive est incapable d'identifier un accent de saisie. Dans ces cas, électrocorticographie invasive (ECoG) avec des électrodes intracérébrales est nécessaire pour localiser le foyer et orienter la suite traitement chirurgical ^6. ECoG est une technique neurophysiologique utilisé pour mesurer l'activité électrique à l'aide d'électrodes placées en contact direct avec le cerveau. Les grilles ou des bandes de surface (sous-duraux) électrodes sont placées sur la surface du cerveau, un processus qui nécessite une craniotomie (ablation d'un volet osseux) et la grande ouverture de la dure-mère. Ces électrodes de surface peuvent être placées sur la zone putatif (s) de début des crises. Les extrémités distales des électrodes sont en tunnel à travers de petites ouvertures dans la peau et connectés à l'appareil de contrôle dans l'unité de surveillance de l'épilepsie (UEM). Dans l'UEM, le patient est surveillé pour l'activité de saisie clinique grâce à la vidéo en continu et des enregistrements ECoG. Cette technique is utile pour recueillir à long terme (quelques jours ou semaines) des enregistrements de ictal et décharges électriques intercritiques sur de relativement grandes zones de la surface corticale. Bien que ces enregistrements intracrâniens sont inestimables cliniquement pour enquêter sur la saisie et la propagation des foyers, ils nous fournissent aussi l'occasion d'étudier la fonction cognitive et la neurophysiologie chez les humains subissant des tâches comportementales spécialement conçus.

ECoG utilisant des électrodes de grille sous-dural a été utilisé pour étudier divers aspects de la fonction corticale, y compris le traitement sensoriel et de la langue. Comme l'un des nombreux exemples, Bouchard et al démontré la coordination temporelle de la musculature orale dans la formation des syllabes de la langue parlée dans le cortex sensori-ventrale, une région identifiée comme la parole humaine cortex sensorimoteur ^7. En outre, ECoG avec le placement de la grille sous-dural a également été utilisé pour étudier les mécanismes par lesquels les humains sont capables de Attend une voix particulière dans une foule: la soi-disant «effet cocktail» ^8,9. Enregistrements ECoG démontré qu'il existe deux groupes neuronaux distincts qui suivre dynamiquement les flux de la parole, les fluctuations à la fois faible de phase de fréquence et haute gamma amplitude, et qu'il existe des sites de traitement distinctes – l'une du site «modulation» qui suit les deux haut-parleurs, et une 'sélection' site qui suit le locuteur assisté à ^cinq.

Une autre application émergente de ECoG avec le placement de l'électrode sous-dural est le potentiel pour une utilisation avec Brain Interfaces ordinateur (BCI), qui "décoder" l'activité neuronale afin de conduire une sortie externe. Cette technologie a le potentiel de permettre patients atteints cérébrale grave ou de blessures de la moelle épinière pour communiquer avec le monde et de manipuler des prothèses ^10,11.

Tandis que le placement de la grille sous-dural a grandement contribué à notre compréhension de superaires corticales offi- et est utile pour identifier les foyers épileptogènes corticales, cette technique ne nécessite une craniotomie et ses risques associés, et est généralement limitée à l'étude de la surface externe du cerveau. Électroencéphalographie stéréotaxique (SEEG) est une technique qui permet l'évaluation de foyers épileptogènes profonde ^12. Avec une longue histoire d'utilisation en France et en Italie, il est également de plus en plus utilisé aux États-Unis ^13. SEEG implique le placement d'électrodes multiples (typiquement 10 à 16) de profondeur dans la substance du cerveau à travers de petites (quelques mm) trous foret de bavures. Avantages de la SEEG sur le placement de la grille sous-dural comprennent sa nature moins invasive, la facilité d'examiner hémisphères bilatéraux lorsque cela est nécessaire, et la capacité de générer des cartes en trois dimensions de la propagation des crises. En outre, ces électrodes permettent l'identification des foyers épileptogènes profonde qui étaient auparavant difficiles à identifier avec des électrodes de surface. Cette procédure a également provides l'occasion d'étudier la neurophysiologie et la fonction des structures corticales profondes, comme le système limbique, le cortex mesoparietal, le cortex mesotemporal, et le cortex orbitofrontal, qui étaient auparavant difficiles à enquêter directement chez l'homme.

Cet article montre comment la SEEG peut être utilisé pour enquêter sur la fonction cognitive dans le cortex cingulaire antérieur dorsal (CACD). Le CACD est une région du cerveau largement étudiés, mais il est aussi l'un des plus mal compris. Considéré comme une région importante pour la cognition humaine, il est probable que le DACC est au cœur du traitement neuronal dynamique de décisions dans le contexte de l'évolution des demandes en continu imposées par l'environnement ^14. Les études dans les deux primates et les humains ^{15,16 17} suggèrent que le DACC intègre les risques potentiels et les avantages d'une action donnée, en particulier dans les situations de conflit simultanée de multiples demandes ^18-21, et modulates ces décisions dans le cadre des actions précédentes et leurs résultats ^14,22,23.

L'interférence Multi-Source Groupe (MSIT), une tâche comportementale Stroop-like, est fréquemment utilisé pour enquêter sur le traitement des conflits dans le DACC. La tâche MSIT active le DACC en recrutant neurones impliqués dans plusieurs domaines du traitement réglementés par le DACC ^24,25. Cette tâche active spécifiquement le DACC par les caractéristiques de la prise de décision, la détection de cible, la détection de nouveauté, la détection d'erreur, la sélection de réponse, et la concurrence stimulus / réponse test. En outre, la tâche MSIT introduit multiples dimensions de l'interférence cognitive, qui sont utilisés dans cette étude pour enquêter DACC réponses de neurones aux stimuli contradictoires simultanées utilisant la SEEG.

Protocol

Veiller à ce que chaque patient est examiné d'aptitude à l'étude de recherche, et les patients appropriés doit être consenti pour la participation à l'étude selon les procédures de la CISR locales. 1. Sélection des patients pour la SEEG et de la recherche Sélection des patients pour la SEEG Remarque: les patients épileptiques doivent être cliniquement évaluées par une équipe multidisciplinaire composée d'épileptologues, neuropsychologues et…

Representative Results

Une fois qu'un patient est sélectionné pour le placement des électrodes SEEG, il / elle subit une T2 et T1 contraste IRM volumétrique accrue. SEEG trajectoires d'électrode sont alors prévus navigation stéréotactique utilisant des séquences d'IRM volumétriques (figure 1). Cette technique permet de recueillir des potentiels de champ locales de structures profondes dans le cortex dorsal tels que le cortex cingulaire antérieur (trajectoire de couleur orange clair, figure 1)</s…

Discussion

Dans cet article, la SEEG a été utilisé pour étudier l'activité des populations neuronales locales dans le DACC pendant une tâche de prise de décision chez les humains. Des travaux antérieurs ont étudié l'activité de neurones individuels dans le DACC en utilisant des enregistrements de microelectode peropératoires ¹⁴ et démontré que l'activité DACC est modulée par l'activité précédente. études de microélectrodes permettent l'enquête de l'activité de dopage des ne…

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