Gransker funksjons av Deep Kortikal og subkortikale strukturer ved hjelp Stereo Electroencephalography: Lærdommer fra Anterior cingulate cortex

Summary

Stereo Electroencephalography (SEEG) er en operativ teknikk som brukes ved epilepsi kirurgi for å hjelpe lokalisere anfall foci. Det gir også en unik mulighet til å undersøke hjernens funksjon. Her beskriver vi hvordan SEEG kan brukes til å undersøke kognitive prosesser i mennesker.

Abstract

Stereo Electroencephalography (SEEG) er en teknikk som brukes for å lokalisere anfall foci hos pasienter med medisinsk problematiske epilepsi. Denne prosedyren innebærer kronisk plassering av flere dybdeelektroder i regioner av hjernen vanligvis utilgjengelig via subduralt grid elektrodeplasseringen. SEEG gir dermed en unik mulighet til å undersøke hjernens funksjon. I denne artikkelen viser vi hvordan SEEG kan brukes til å undersøke hvilken rolle rygg anterior cingulate cortex (DACC) i kognitiv kontroll. Vi inkluderer en beskrivelse av SEEG prosedyre, demonstrere kirurgisk plassering av elektrodene. Vi beskriver komponentene og prosessen som kreves for å spille inn lokale feltet potensial (LFP) data fra samtykkende fagene mens de er engasjert i en atferds oppgave. I eksempelet gitt, fag spille en kognitiv forstyrrelse oppgave, og vi demonstrere hvordan signalene blir registrert og analysert fra elektroder i rygg anterior cingulate cortex, et område intimbart involvert i beslutningsprosessen. Vi konkluderer med ytterligere forslag til hvordan denne metoden kan brukes til å undersøke menneskets kognitive prosesser.

Introduction

Epilepsi, en vanlig nevrologisk lidelse preget av flere tilbakevendende anfall over tid, står for 1% av den verdensomspennende byrden av sykdommer ^1. Antiepileptiske medisiner ikke klarer å kontrollere anfall i 20 – 30% av pasientene ^2,3. I disse medisinsk låste pasienter, er epilepsi kirurgi ofte indikert ^4,5. Beslutningen om å gå videre med kirurgi krever finne beslaget fokus, en forutsetning for å formulere en kirurgisk plan. I utgangspunktet er ikke-invasive teknikker som brukes til å lateralize og lokalisere beslaget fokus. Elektroencefalografi (EEG), for eksempel tiltak kortikal elektrisk aktivitet fra elektroder plassert på hodebunnen og kan ofte gi tilstrekkelig informasjon om plasseringen av beslaget fokus. I tillegg kan magnetisk resonansavbildning (MRI) demonstrere diskrete lesjoner, slik som hippocampus sklerose, den klassiske patologi sett i den mest vanlige form for medisinsk intraktabel epilepsi, mesial temporal lapp epilepsi (MTLE).

Ofte er imidlertid en ikke-invasiv opparbeidelse i stand til å identifisere et anfall fokus. I disse tilfellene er invasiv Elektrokortikografi (ECOG) med intracerebrale elektroder som kreves for å lokalisere fokus og veilede videre kirurgisk behandling ^6. ECOG er en nevrofysiologisk teknikk som brukes til å måle elektrisk aktivitet ved hjelp av elektroder plassert i direkte kontakt med hjernen. Gittere eller strimler av overflaten (subdural) elektrodene er plassert over overflaten av hjernen, en prosess som krever en kraniotomi (fjerning av et bein klaff) og stor åpning av dura. Disse overflate elektroder kan plasseres over det antatte området (r) av beslaget utbruddet. De distale ender av elektrodene er tunnel gjennom små åpninger i huden og som er koblet til registreringsutstyret i epilepsi overvåkningsenhet (EMU). I EMU, er pasienten overvåkes for kliniske anfall aktivitet gjennom kontinuerlig video og ECOG innspillinger. Denne teknikken jegs nyttig for å samle langsiktige (dager til uker) opptak av ictal og interiktal elektriske utladninger over relativt store områder av kortikale overflate. Mens disse intrakranielle opptak er uvurderlig klinisk for å undersøke beslag foci og forplantning, de også gir oss mulighet til å undersøke kognitiv funksjon og nevrofysiologi hos mennesker som gjennomgår spesielt utviklet atferds oppgaver.

ECOG ved hjelp av subdural gitterelektroder er blitt brukt til å undersøke ulike aspekter av kortikal funksjon, inkludert sensoriske og språkbehandling. Som ett av mange eksempler, Bouchard et al demonstrerte temp koordinering av den muntlige muskulaturen i dannelsen av stavelser for talte språket i ventral sensorisk cortex, en region identifisert som den menneskelige tale sensorimotor cortex ^7. Videre ECOG med subdural gitter plassering har også blitt benyttet for å studere de mekanismer som mennesker er i stand til attend til en bestemt stemme i en folkemengde: den såkalte "cocktail party effekten ^'8,9. ECOG opptakene viste at det er to forskjellige nevrale band som dynamisk spore tale bekker, både lavfrekvente fase og høy gamma amplitudesvingninger, og at det er forskjellige områder for behandling – en "modulasjon" site som sporer både høyttalere og en 'utvalg' nettsted som sporer deltok talker ^5.

En annen voksende anvendelse av ECOG med subduralt elektrodeplasseringen er potensialet for bruk med Brain Computer Interface (BCIs), som "dekode" neuronal aktivitet for å drive en ekstern utgang. Denne teknologien har potensial til å la pasienter med alvorlig hjerneskade eller ryggmargsskader til å kommunisere med verden og manipulere proteser ^10,11.

Mens subduralt grid plassering har bidratt sterkt til vår forståelse av superaktige kortikale områder og er nyttig for å identifisere kortikale epileptogene foci, gjør denne teknikken krever en kraniotomi og dens tilhørende risiko, og er vanligvis begrenset til å studere den ytre overflaten av hjernen. Stereo elektroencefalografi (SEEG) er en teknikk som gjør at vurderingen av dyp epileptogen foci ^12. Med en lang historie med bruk i Frankrike og Italia, det er også i økende grad brukes i USA ^13. SEEG innebærer plassering av flere elektroder (typisk 10-16) dypt inne i substansen i hjernen gjennom små (få mm) vri drill Burr hull. Fordeler med SEEG enn subduralt grid plassering inkludere sin mindre invasiv natur, den enkle undersøke bilaterale halvkuler når det er nødvendig, og evnen til å generere tredimensjonale kart av anfall forplantning. Videre disse elektrodene muliggjøre identifisering av dyp epileptogen fokus som tidligere var vanskelig å identifisere seg med overflateelektroder. Denne prosedyren også provides anledning til å undersøke nevrofysiologi og funksjon av dyp kortikale strukturer, slik som det limbiske system, mesoparietal cortex, den mesotemporal cortex og orbitofrontal cortex, alle som tidligere var vanskelig å undersøke direkte i mennesker.

Dette papir viser hvordan SEEG kan anvendes for å undersøke kognitiv funksjon i det dorsale fremre cingulate cortex (DACC). Den DACC er en vidt undersøkt hjerneregion, men det er også en av de mest dårlig forstått. Regnes som en betydelig region for menneskelig kognisjon, er det sannsynlig at DACC er sentral i dynamisk nevrale behandling av vedtak i sammenheng med kontinuerlig endrede krav pålagt av miljøet ^14. Studier i begge primater ^15,16 og mennesker ¹⁷ tyder på at DACC integrerer potensiell risiko og avkastning knyttet til en gitt handling, spesielt i situasjoner med flere samtidige motstridende krav ^18-21, og modulates disse beslutningene i sammenheng med tidligere handlinger og deres utfall ^14,22,23.

Multi-Source Interference Task (MSIT), en Stroop-lignende atferds oppgave, blir ofte brukt for å undersøke konfliktbehandling i DACC. Den MSIT oppgave aktiverer DACC ved å rekruttere nevroner involvert i flere domener av behandling regulert av DACC ^24,25. Denne oppgaven spesifikt aktiverer DACC ved å teste funksjonene i beslutningsprosessen, måldetektering, nyhet deteksjon, feildeteksjon, respons utvalg, og stimulus / respons konkurranse. I tillegg introduserer MSIT oppgave flere dimensjoner av kognitive forstyrrelser som er benyttet i denne studien å undersøke DACC nevrale responser til samtidige motstridende stimuli ved hjelp SEEG.

Protocol

Sørg for at hver pasient er anmeldt for egnethet for forskningsstudien, og riktige pasienter må samtykket til deltakelse i studien i henhold til lokale IRB prosedyrer. 1. Pasientvalg for SEEG og Forskning Pasient Utvalg for SEEG Merk: Epilepsi pasienter må være klinisk vurdert av et tverrfaglig team bestående av epileptologists, nevropsykologer og nevrokirurger. Sørg for at pasienten har medisinsk ildfast fokus epilepsi, definert som manglende svare på minst…

Representative Results

Når en pasient er valgt for SEEG elektrodeplassering, han / hun gjennomgår en volumetrisk T2 og T1 kontrastforsterket MRI. SEEG elektrode baner er deretter planlagt å bruke stereotaktisk navigasjon av volumetriske MR sekvenser (figur 1). Denne teknikken gjør det mulig for innsamling av lokale feltpotensialer fra strukturer dypt inne i hjernebarken som rygg anterior cingulate cortex (lys oransje bane, Figur 1) som ikke ville være mulig med typisk overflateelektrodeplasseringen. Post…

Discussion

I denne utredningen SEEG ble brukt til å undersøke aktiviteten til lokale nevronale populasjoner innenfor DACC under en beslutnings oppgave hos mennesker. Tidligere arbeid har undersøkt aktiviteten til enkelte nevroner i DACC bruker intra microelectode opptak ¹⁴ og viste at DACC aktivitet er modulert av forrige aktivitet. Microelectrode studier muliggjøre etterforskningen av spiking aktiviteten til enkelte nerveceller. SEEG måler LFPs, som er relatert til de summerte synaptiske muligheter på tvers av en…

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