Usando Saccadometry com Estimulação Cerebral Profunda para estudar normal e patológico função cerebral

Summary

This paper describes the use of quantitative measurement of eye movements in conjunction with stimulation of focal areas of the deep brain in order to study physiology, pathophysiology, and the mechanisms of deep brain stimulation.

Abstract

The oculomotor system involves a large number of brain areas including parts of the basal ganglia, and various neurodegenerative diseases including Parkinson’s and Huntington’s can disrupt it. People with Parkinson’s disease, for example, tend to have increased saccadic latencies. Consequently, the quantitative measurement of saccadic eye movements has received considerable attention as a potential biomarker for neurodegenerative conditions. A lot more can be learned about the brain in both health and disease by observing what happens to eye movements when the function of specific brain areas is perturbed. Deep brain stimulation is a surgical intervention used for the management of a range of neurological conditions including Parkinson’s disease, in which stimulating electrodes are placed in specific brain areas including several sites in the basal ganglia. Eye movement measurements can then be made with the stimulator systems both off and on and the results compared. With suitable experimental design, this approach can be used to study the pathophysiology of the disease being treated, the mechanism by which DBS exerts it beneficial effects, and even aspects of normal neurophysiology.

Introduction

Nos últimos anos, tem havido um interesse crescente na utilização de medidas de tempos de reacção de uma maneira quantitativa e não-invasiva de obter informação sobre os mecanismos de alto nível de decisão neural fazendo ^um. Um tipo de tempo de reação que tem sido estudado extensivamente é o tempo necessário para iniciar uma saccade mediante a apresentação de um estímulo visual, conhecido como latência sacádica. Sacadas são os movimentos oculares rápidos que ocorrem quando mudamos rapidamente o olhar de um lugar para outro. Eles são o tipo mais comum de movimentos oculares fazemos, ocorrendo com uma frequência de, tipicamente dois ou três por segundo. Cada saccade está em vigor a decisão de olhar para uma sugestão no mundo visual em vez de outro ^2.

As vias neurais que controlam os movimentos oculares têm sido estudados extensivamente e são razoavelmente bem documentado ^3. Usando equipamentos eletrônicos sensíveis, aspectos da função oculomotor pode ser precisa e objectively quantificado. Isto facilita o estudo detalhado dos próprios movimentos dos olhos, mas também permite que eles sejam utilizados como uma ferramenta para investigar outras áreas de neurofisiologia e patofisiologia.

medição de movimento dos olhos pode fornecer informações úteis sobre estados de doença. Movimentos oculares Sacádicos recentemente, por exemplo, recebido muita atenção como potenciais biomarcadores em doenças neurodegenerativas, incluindo a doença de Huntington e Parkinson ^{4,5- 6,7,} e que está bem estabelecido que os tempos de reacção saccadic tendem a ser mais lento do que o normal em tais condições. Os usos potenciais de medida sacádica incluem ajudas ao diagnóstico e acompanhamento da doença. Sacádicos tarefas vão desde o simples prosaccade (procura tão rapidamente quanto possível no sentido de um estímulo visual de repente aparece para a esquerda ou para a direita) para tarefas mais complexas, tais como o antisaccade (procura tão rapidamente quanto possível para o lado oposto a um estímulo visual) ou memória- saccade guiada (olhandopara o local lembrava de um alvo que não está mais lá).

A estimulação cerebral profunda é um tratamento eficaz para várias condições neurológicas. É mais comumente utilizados para tratar os sintomas motores da doença de Parkinson, incluindo tremor, rigidez, bradicinesia, e discinesia. É também usado para outros distúrbios de movimento, incluindo distonia e tremor essencial, e menos comummente para a dor neuropática, epilepsia, e doenças do foro psiquiátrico tais como desordem obsessiva compulsiva. É o único cenário em que os cientistas têm acesso eléctrica directa a estruturas profundas do cérebro humano in vivo e, portanto, oferece uma oportunidade preciosa para a neurologia experimental. Uma variedade de alvos são estimulados dependendo do estado a ser tratado, incluindo vários locais nos gânglios basais, muitos dos quais estão envolvidos em vias oculomotores. Isto significa que uma ampla gama de estudos podem ser realizados utilizando o sistema de DBS para fornecer estimulaçãopara um determinado local do cérebro e um dispositivo de rastreamento ocular para registrar e analisar seus efeitos. Dependendo do paradigma experimental, tais estudos podem fornecer informações sobre a fisiologia da região a ser estimulada, os efeitos da doença, ou o mecanismo pelo qual o DBS estar trabalhando em que determinada configuração. Este artigo descreve uma abordagem geral para o teste os movimentos oculares sacádicos em pacientes Estimulação Cerebral Profunda.

Vários tipos diferentes de equipamentos de rastreamento ocular estão disponíveis. Para a pesquisa descrita neste protocolo a saccadometer portátil foi usado para gravar horizontais movimentos oculares sacádicos. Saccadometers portáteis têm a vantagem de não necessitar de apoio de cabeça (ver Figura 1), o que significa que as sessões são mais confortável para os pacientes com doença de Parkinson, especialmente para aqueles que sofrem com discinesias graves. O saccadometer usada aqui é leve e cerca de 5 cm de largura e 10 cm de altura. O measu saccadometerres movimentos do olho através da utilização de oculografia infravermelho directo: uma fonte de infra-vermelho e o sensor posicionado em frente da luz utilização canto medial reflectida a partir da córnea para determinar a posição de rotação do globo ocular, a intervalos de milissegundos. A fim de adquirir dados de boa qualidade para a análise deve saccadometer amostra a uma taxa de pelo menos 1 kHz com, pelo menos, uma resolução de 12 bits. No saccadometer usados ​​aqui os estímulos visuais foram três vermelhos 13 cd m ^-2 pontos de luz produzida por construída em lasers de baixa potência, cada ponto que subtende algumas 0,1 graus, com um ponto na linha média e os outros dois em ± 10 graus (ou seja, , para a direita e esquerda).

Figura 1. A Saccadometer. Cabeça montado saccadometer ligado a um elástico e que descansa sobre a ponte do nariz. Quatro lasers em miniatura projetar alvo visuals para uma superfície mate, e os movimentos dos olhos do participante são medidos pelos transdutores diferenciais de reflectância de infravermelhos no lado nasal de cada olho. À medida que os alvos a laser se mover com a cabeça, apoios de cabeça não são necessários. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Protocol

O comitê de ética local aprovou este estudo e informado consentimento foi obtido dos participantes, conforme detalhado abaixo na seção 1. Consentimento 1. Participante Proporcionar aos participantes uma folha informativa que explica em detalhe o que a sessão de testes irá incluir. Depois que os participantes têm a oportunidade de ler e discutir quaisquer questões, preocupações ou outros assuntos relacionados à sua participação no estudo, percorrer o formulá…

Representative Results

A Figura 3 mostra um exemplo de trajectórias de movimento rápido dos olhos, do paciente da doença de Parkinson com um sistema de DBS núcleo subtalâmico implantado. Os dois gráficos mostram prosaccades do paciente com o sistema estimulador desligado (gráfico superior) e ligado (gráfico inferior). Cada traço nos gráficos mostra a trajetória de um único sacádicas, isto é, como a posição do olho em graus de distância da linha média (eixo y) varia c…

Discussion

O fator mais crítico na obtenção de dados sacádica boa qualidade é garantir que as instruções dadas para o participante são claras e precisas. Por exemplo, se as instruções para a tarefa antisaccadic não são completamente claras, o participante é susceptível de executar prosaccades vez. As gravações também podem ser estragado se o participante não pode ver claramente os estímulos ou a saccadometer não pode medir com precisão a posição dos olhos. Assim, se os dados parecem ser de baixa qualidade o …

Materials

Saccadometer device ( Ober Consulting Poland)

Computer with Windows environment

Software, Latency Meter for downloading the raw data from the saccadometer.