JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Traduzione automatica
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Neuroscienze

Исследование функции Deep корковых и подкорковых структур с использованием Стереотаксическая Электроэнцефалография: Уроки от коры передней части поясной извилины

Published: April 15, 2015
doi:
10.3791/52773
, , , , , , , , ,
1Department of Neurosurgery,Columbia University Medical Center, New York Presbyterian Hospital, 2Department of Neurology,Columbia University Medical Center, New York Presbyterian Hospital, 3Columbia University Medical Center, New York Presbyterian Hospital, 4School of Medicine,King’s College London

Summary

Стереотаксическая электроэнцефалография (Зег) является оперативная техника, используемая в хирургии эпилепсии, чтобы помочь локализовать эпилептического фокуса. Она также предоставляет уникальную возможность исследовать функцию мозга. Здесь мы опишем, как Зег может быть использован для исследования когнитивных процессов у человека.

Abstract

Стереотаксическая электроэнцефалография (Зег) является метод, используемый для локализации эпилептического фокуса у пациентов с медицинской точки резистентной эпилепсией. Эта процедура включает в себя хронический размещение множества электродов глубины в областях головного мозга, как правило, с помощью недоступного субдуральной размещения сетки электрода. Таким образом, Зег предоставляет уникальную возможность исследовать функцию мозга. В этой статье мы покажем, как Зег могут быть использованы для изучения роли спинной передней поясной коры (DACC) в когнитивный контроль. Мы включать в себя описание процедуры Зег, демонстрируя хирургическое размещение электродов. Мы описываем компоненты и процесс, необходимый для записи потенциальную локальное поле данных (LFP) с согласия субъектов, когда они участвуют в поведенческой задачи. В приведенном примере, предметы играют познавательной задачи помех, и показано, как сигналы записываются и анализируются с электродами в спинной передней поясной коры, области интималенно участвовать в процессе принятия решений. В заключение дальнейших предложений способов, в которых этот метод может быть использован для исследования когнитивных процессов человека.

Introduction

Эпилепсия, общая неврологическое расстройство характеризуется множественными повторяющиеся припадки с течением времени, приходится 1% мирового бремени болезней 1. Противоэпилептические лекарства не управлять приступами в 20 – 30% пациентов 2,3. В этих медицинской неразрешимыми пациентов, эпилепсия хирургия часто указано 4,5. Решение о проведении операции требуется размещения фокус захват, что является предпосылкой для формулирования хирургического плана. Первоначально неинвазивные методы используются для lateralize и локализовать фокус захват. Электроэнцефалограмма (ЭЭГ), например, меры электрической активности коры головного мозга записывается с электродами, расположенными на волосистой части головы, и часто может предоставить достаточную информацию о местоположении фокуса захват. Кроме того, магнитно-резонансная томография (МРТ) может продемонстрировать дискретных поражений, таких как гиппокампа склероз, классической патологии видели в самом общем виде медицинской резистентной эпилепсией, медиальной тemporal эпилепсия (MTLE).

Часто, однако, неинвазивный проработка не в состоянии определить фокус захват. В этих случаях, инвазивные Электрокортикография (ECOG) при внутримозговых электродов требуется, чтобы локализовать фокус и направлять дальнейшее хирургическое лечение 6. ECOG является нейрофизиологические метод, используемый для измерения электрической активности с помощью электродов, размещенных в непосредственном контакте с мозгом. Сетки или полосы поверхности (субдуральные) электроды расположены на поверхности мозга, процесс, который требует трепанацию черепа (удаление костного лоскута) и большое отверстие в твердой мозговой оболочки. Эти поверхностные электроды могут быть размещены над предполагаемой области (ов) захват начала. Дистальные концы электродов тоннельный через небольшие отверстия в коже и соединен с записывающим оборудованием в блоке контроля эпилепсии (ЭВС). В ЕВС, пациент мониторинг клинического судорожной активности посредством непрерывного видео и ЭГ записей. Этот метод яс полезна для сбора долгосрочных (дней до нескольких недель) записи иктальных и интериктальных электрических разрядов на относительно больших площадях поверхности коры. Хотя эти внутричерепные записи бесценны клинически для исследования очага припадка и распространение, они также предоставляют нам возможность изучить когнитивные функции и нейрофизиологии у людей, перенесших специально разработанные поведенческие задачи.

ЭГ с помощью субдуральной электроды сетка была использована для исследования различных аспектов корковой функции, включая сенсорную и языковой обработки. В качестве одного из многих примеров, Бушар и др продемонстрировали временной координации устной мускулатуры в формировании слогов для разговорного языка в брюшной сенсомоторной коры, области, идентифицированной как человеческая речь сенсомоторной коры 7. Кроме того, ЭГ с субдуральной размещения сетки также были использованы для изучения механизмов, с помощью которых люди способны Attend к конкретному голосу толпы: так называемой «Cocktail Party эффект" 8,9. ЭГ записи показали, что существуют две различные нейронные группы, которые динамически отслеживать речи потоки, колебания и низкий фазовый и высокочастотные гамма-амплитудные, и что существуют различные сайты обработки – один "модуляция" веб-сайтов, отслеживает как громкоговорители и один «отбор» сайт, который отслеживает участие говорящего 5.

Еще одной новой применение ЭГ с субдуральной размещения электродного потенциала для использования с мозгом компьютерных интерфейсов (BCIS), который "декодировать" активность нейронов, для того чтобы управлять внешним выходом. Эта технология имеет потенциал позволяет пациентам с тяжелой мозга или травмы спинного мозга, чтобы общаться с миром и управлять протезами 10,11.

В то время как субдуральная размещение сетки внес значительный вклад в наше понимание суперПоверхностные области коры и полезно для идентификации корковых эпилептогенных очаги, этот метод действительно требует трепанацию черепа и сопутствующие риски, и, как правило, ограничивается изучением внешней поверхности мозга. Стереотаксическая электроэнцефалография (Зег) является метод, который позволяет производить оценку глубокой эпилептогенной очагов 12. С длинной историей использования во Франции и Италии, он также все чаще используется в США 13. Зег включает в себя размещение множества электродов (как правило, 10 – 16) глубоко внутри вещества мозга через небольшие (несколько миллиметров) Сверло заусенцев отверстия. Преимущества Зег более субдуральной размещения сетки включают его менее инвазивный характер, легкость изучения двусторонних полушария, когда требуется, и способность генерировать трехмерные карты распространения приступов. Кроме того, эти электроды позволяют идентифицировать глубокой эпилептогенной очагов, которые ранее были трудно идентифицировать себя с поверхностными электродами. Эта процедура также ProvidES возможность исследовать нейрофизиологии и функции глубоких корковых структур, таких как лимбической системы, mesoparietal коры, в mesotemporal коры, и орбитофронтальную коры, все из которых были ранее трудно непосредственно исследовать человека.

Этот документ показывает, как Зег могут быть использованы для исследования когнитивных функций в дорсальной передней части поясной извилины (DACC). DACC широко исследовали область мозга, но он также является одним из наиболее мало изучен. Считается важном регионе для человеческого познания, вполне вероятно, что DACC занимает центральное место в динамической нейронной обработки решений в контексте постоянно меняющихся требований, предъявляемых средой 14. Исследования, проведенные в обеих приматов 15,16 и людей 17 показывают, что DACC объединяет потенциальные риски и выгоды, связанные с данным действием, особенно в ситуациях множественного одновременного противоречивые требования 18-21 и Мodulates эти решения в контексте предыдущих действий и их результатов 14,22,23.

Multi-Source помех задачи (МСИТ), Stroop, как поведенческая задача, часто используется для исследования обработки конфликтов в DACC. Задача МСИТ активизирует DACC путем привлечения нейронов, участвующих в нескольких доменах обработки регулируемых DACC 24,25. Эта задача специально активирует DACC путем тестирования возможности принятия решений, выявление целевой, обнаружения новизны, обнаружения ошибок, выбор ответа, и конкуренции стимул / ответ. Кроме того, задача МСИТ вводит многочисленные аспекты когнитивной интерференции, которые используют в данном исследовании для изучения DACC нейронных ответов одновременные противоречивые стимулы с использованием Зег.

Protocol

Убедитесь, что каждый пациент рассматривается на предмет пригодности для научного исследования, и соответствующие пациенты должны быть согласие на участие в исследовании в соответствии с местными IRB процедур. 1. Отбор пациентов для Зег и исследований Отбор пациен…

Representative Results

После того, как пациент выбран для размещения Зег электрода, он / она претерпевает объемное T2 и T1 контраст МРТ. Зег электродов траектории, то планируется с помощью стереотаксической навигации объемных последовательностей МРТ (рис 1). Этот метод позволяет для сбора локальных пот…

Discussion

In this paper SEEG was used to investigate the activity of local neuronal populations within the dACC during a decision-making task in humans. Previous work has investigated the activity of individual neurons in the dACC using intraoperative microelectode recordings 14 and demonstrated that dACC activity is modulated by previous activity. Microelectrode studies enable the investigation of the spiking activity of individual neurons. SEEG measures LFPs, which are related to the summated synaptic potentials acros…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The authors have no acknowledgements or financial disclosures.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Tags

Stereotactic ElectroencephalographySEEGAnterior Cingulate CortexDACCCognitive ControlLocal Field PotentialLFPDepth ElectrodesIntractable EpilepsyDecision-makingCognitive Processes
check_url/it/52773?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
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).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image