Het uitvoeren van Behavioral Taken in Proefpersonen met intracraniële elektroden
Summary
Patiënten geïmplanteerd met intracraniële elektroden bieden een unieke kans om neurologische gegevens uit verschillende gebieden van de hersenen nemen terwijl de patiënt voert gedragstaken. Hier presenteren we een methode van het opnemen van geïmplanteerde patiënten die reproduceerbaar bij andere instellingen kunnen zijn die toegang hebben tot deze patiëntengroep.
Abstract
Patiënten met stereo-elektro-encefalografie (SEEG) elektrode, subduraal raster of diepte elektrode implantaten hebben een veelheid van elektroden geïmplanteerd in de verschillende gebieden van hun hersenen voor de lokalisatie van hun inbeslagname focus en welsprekende gebieden. Na implantatie, moet de patiënt in het ziekenhuis blijven tot de pathologische gebied van de hersenen wordt gevonden en eventueel gereseceerd. Gedurende deze tijd, deze patiënten bieden een unieke kans om de onderzoeksgemeenschap, omdat een willekeurig aantal gedrags-paradigma's kunnen worden uitgevoerd om de neurale ontdekken correleert die gids gedrag. Hier presenteren we een methode voor het opnemen van de hersenactiviteit van intracraniële implantaten als onderwerpen het uitvoeren van een gedrags-taak ontworpen om de besluitvorming en beloning codering beoordelen. Alle elektrofysiologische gegevens van de intracraniële elektroden worden geregistreerd in het gedrags-taak, waardoor de behandeling van de vele hersengebieden die betrokken zijn bij een enkele functie op tijdschalen gedrag relevant.Bovendien, en in tegenstelling dierstudies humane patiënten kunnen diverse gedragstaken snel te leren, waardoor de mogelijkheid om meer dan een taak in hetzelfde onderwerp of behoeve van de controle. Ondanks de vele voordelen van deze techniek voor het begrijpen van menselijke hersenfunctie, zijn er ook methodologische beperkingen die we bespreken, waaronder milieufactoren, pijnstillende werking, tijdsdruk en opnames van ziek weefsel. Deze methode kan eenvoudig worden uitgevoerd door een instelling die intracraniële evaluaties uitvoert; het verstrekken van de mogelijkheid om direct te onderzoeken menselijke hersenfunctie tijdens gedrag.
Introduction
Epilepsie is een van de meest voorkomende hersenaandoeningen, gekenmerkt door chronisch terugkerende aanvallen gevolg van overmatige elektrische ontladingen van groepen neuronen. Epilepsie treft ongeveer 50 miljoen mensen wereldwijd en ongeveer 40% van alle personen met epilepsie hebben hardnekkige aanvallen dat kan helemaal niet worden gecontroleerd door medische therapie 1. Chirurgie kan leiden tot inbeslagname status als de hersengebieden die verantwoordelijk zijn voor het ontstaan van epileptische aanvallen (de epileptogene zone – EZ) worden gelokaliseerd en operatief verwijderd of ontkoppeld. Om de anatomische locatie van de EZ en de nabijheid van mogelijke corticale en subcorticale gebieden sprekend definiëren een aantal niet-invasieve instrumenten zijn: analyse van beslaglegging semiologie, video-opnamen hoofdhuid elektro (ictal en interictale opnamen), neuropsychologische testen , magneto (MEG) en MRI 2. Bij invasieve gegevens onvoldoende precisely bepalen de locatie van de hypothetische EZ, wanneer het vermoeden bestaat van vroegtijdige betrokkenheid van welsprekende corticale en subcorticale gebieden of wanneer er de mogelijkheid voor multi-focale epilepsie, kan de chronische invasieve monitoring nodig zijn 3,4.
Werkwijzen chronische invasieve monitoring voor het definiëren van de locatie en grenzen van een EZ kunnen subduraal rasters en strips met elektroden op het oppervlak van de hersenen en stereo-elektro (SEEG), wanneer meerdere diepte elektroden in de hersenen worden geplaatst in een drie dimensionale mode. Subduraal intracraniële opnames werden in eerste instantie in 1939 toen Penfield en zijn collega's gebruikte epidurale enkel contact elektroden bij een patiënt met een oude linker temporale-pariëtale fractuur en waarvan pneumoencephalography bekendgemaakt diffuse cerebrale atrofie 5. Vervolgens, het gebruik van subdurale raster arrays steeds populairder na meerdere publicaties in de jaren 1980 demonstreerden hunveiligheid en werkzaamheid 6. De SEEG methode werd ontwikkeld en gepopulariseerd in Frankrijk door Jean Tailarach en Jean Bancaud tijdens de jaren '50 en werd vooral gebruikt in Frankrijk en Italië als de methode van keuze voor invasieve mapping in refractaire focale epilepsie 7-9.
Het principe van SEEG is gebaseerd op de anatomisch-electro-klinische correlaties, dat verwijst naar het belangrijkste principe van de 3-dimensionale ruimtelijke en temporele organisatie van de epileptische ontlading in de hersenen in verband met inbeslagneming semiologie. De implantatie strategie is geïndividualiseerd, met plaatsing van de elektroden op basis van een pre-implantatie hypothese dat rekening houdt met de primaire organisatie van de epileptische activiteit en het hypothetische epileptische netwerk betrokken bij de verspreiding van de aanvallen. Volgens verschillende Europese en recente Noord-Amerikaanse rapporten, SEEG methodiek maakt een nauwkeurige opnamen van diepe corticale en subcorticale structuren, meerdere niet-aaneengesloten lobes, en bilaterale verkenningen terwijl het vermijden van de noodzaak voor grote craniotomies 10-15. Daarna worden postoperatieve foto genomen om de exacte anatomische positie van de geïmplanteerde elektroden verkrijgen. Vervolgens werd een controleperiode begint waarin patiënten blijven in het ziekenhuis voor een periode van 1 tot 4 weken om interictale en ictal activiteiten opnemen van de geïmplanteerde elektroden. Deze monitoring periode is een geschikt moment voor het bestuderen van de hersenfunctie met event-related SEEG analyse, omdat er geen extra risico en de patiënt ziet meestal het onderzoek als een welkome executie van het mondaine controleperiode. De opnames vergaard uit intracraniële elektroden zijn niet alleen van vitaal belang om een betere evaluatie en zorg voor epilepsiepatiënten, maar bovendien bieden de uitzonderlijke kans om de menselijke hersenactiviteit te bestuderen tijdens gedragsproblemen paradigma.
Verschillende onderzoekers hebben al de mogelijkheid om invasieve opnamen van studeren gerealiseerdepilepsiepatiënten. Hill et al. Gerapporteerd over de methodologie voor het opnemen electrocorticographic (ECoG) signalen van patiënten voor functionele corticale mapping 16. ECoG opnames hebben ook inzicht in de motor-taal koppeling 17. Patiënten met geïmplanteerde diepte elektroden navigatie taken uitgevoerd om de hersenen oscillaties studeren in het geheugen, leren 18 en beweging 19. Depth elektrode opnames werden ook gebruikt om paradigma studeren met anders onbereikbare tijdsresolutie zoals hippocampale opgewekte activiteit 20, neurale activiteit in de standaard modus netwerk 21 en het temporele verloop van de emotionele verwerking 22. Hudry et al bestudeerden patiënten met temporaalkwab epilepsie die SEEG elektroden geïmplanteerd in hun amygdala voor kortdurend olfactorische stimuli bijpassende 23 had. Een andere groep heeft een eenvoudige bewegingen van de ledematen, zoals de hand flexie of eenzijdige beweging van de hand of voet in gezonde brai studeerden plaatsen van epileptische patiënten met geïmplanteerde SEEG 24,25.
De hierboven beschreven studies zijn een kleine greep uit een zeer gevarieerde verzameling van relevante literatuur. Er bestaat een onoverkomelijke mogelijkheden om te leren en te begrijpen hoe het menselijk brein werkt met een combinatie van gedrags-taken en intracraniële opnames. Terwijl er andere methoden voor het bereiken van dit doel, intracraniële opnames bezitten een aantal voordelen, waaronder een hoge temporele en ruimtelijke resolutie, alsmede toegang tot diepere structuren. De auteurs hebben tot doel de algemene methodologie te beschrijven voor het opnemen van patiënten met intracraniële elektroden tijdens gedragstaken. Er zijn verschillende afschrikmiddelen en belemmeringen voor succesvolle voltooiing klinisch onderzoek bij patiënten die zorg. Beperkingen, verstorende effecten, en de betekenis van dit onderzoek zal ook worden geïdentificeerd en onderzocht.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier hebben we een methode voor het uitvoeren van intracraniële elektrofysiologische studies bij mensen als zij zich bezighouden met een gedrags-taak gepresenteerd. Deze methodiek en de eenvoudige permutaties zijn van belang voor het bestuderen van de menselijke beweging en cognitie. Hoewel er sprake inherent voordelen en nadelen aan elke techniek, het opnemen van intracraniële elektroden heeft voordelen ten opzichte van andere elektrofysiologische en beeldvormende technieken. Twee van de belangrijkste voordelen zijn …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door EFRI-MC3: # 1137237 toegekend aan SVS en JTG
Materials
| InMotion ARM | Interactive Motion Technologies | InMotion Arm | http://interactive-motion.com/inmotion-arm-the-new-standard-of-care/ Equipment our lab used, can use other equipment to collect data |
| MATLAB | Mathworks Inc | MATLAB | http://www.mathworks.com/ Need version r2007b or higher to run Monkeylogic |
| Data Acquisition Toolbox | Mathworks Inc | Data Acquisition Toolbox | http://www.mathworks.com/products/daq/ Must have to run Monkeylogic |
| Image Processing Toolbox | Mathworks Inc | Image Processing Toolbox | http://www.mathworks.com/products/image/ Must have to run Monkeylogic |
| Monkeylogic | Wael Asaad and David Freedman | Monkeylogic | http://www.brown.edu/Research/monkeylogic/ Free download, must have MATLAB to run |
| Chronux | Medametrics, LLC | Data Processing Toolbox | http://www.chronux.org/ |
| Brainstorm | MEG/EEG Analysis Application | http://neuroimage.usc.edu/brainstorm/ | |
| Laptop | Dell | Latitude E5530 | http://www.dell.com/us/business/p/latitude-e5530/pd?ST=dell%20latitude%20e5530&dgc=ST&cid=263756&lid=4781504&acd=12309152537461010 |
| NI Card | National Instruments | NI USB-6008 | http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/201986 12-Bit, 10 kS/s Low-Cost Multifunction DAQ |
References
- Rosenow, F., Luders, H. Presurgical evaluation of epilepsy. Brain. 124, 1683-1700 (1093).
- Adelson, P. D., et al. Use of subdural grids and strip electrodes to identify a seizure focus in children. Pediatr. Neurosurg. 22 (4), 174-180 (1995).
- Jayakar, P. Invasive EEG monitoring in children: When, where, and what. J Clin Neurophysiol. 16, 408-418 (1999).
- Almeida, A. N., Martinez, V., Feindel, W. The first case of invasive EEG monitoring for the surgical treatment of epilepsy: Historical significance and context. Epilepsia. 46, 1082-1085 (2005).
- Dinner, D. S., Luders, H. O., Klem, G. Chronic electrocorticography: Cleveland clinic experience. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. , 58-69 (1998).
- Bancaud, J., et al. Functional Stereotaxic Exploration (Seeg) of Epilepsy. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 28, 85 (1970).
- Chassoux, F., et al. Intralesional recordings and epileptogenic zone in focal polymicrogyria. Epilepsia. 49, 51-64 (2008).
- Lo Russo, G., et al. Focal cortical resection in malformations of cortical development. Epileptic Disord. 5, S115-S123 (2003).
- Avanzini, G. Discussion of stereoelectroencephalography. Acta neurologica Scandinavica Supplementum. , 152-170 (1994).
- Cossu, M., et al. Stereo-EEG in children. Child Nerv Syst. 22, 766-778 (2006).
- Cossu, M., et al. Epilepsy surgery in children: Results and predictors of outcome on seizures. Epilepsia. 49, 65-72 (2008).
- Cossu, M., et al. Stereoelectroencephalography in the presurgical evaluation of focal epilepsy in infancy and early childhood Clinical article. J Neurosurg-Pediatr. 9, 290-300 (2012).
- Gonzalez-Martinez, J., et al. Stereoelectroencephalography in the "difficult to localize" refractory focal epilepsy: early experience from a North American epilepsy center. Epilepsia. 54, 323-330 (2013).
- Vadera, S., et al. Stereoelectroencephalography following subdural grid placement for difficult to localize epilepsy. Neurosurgery. 72, 723-729 (2013).
- Hill, N. J., et al. Recording human electrocorticographic (ECoG) signals for neuroscientific research and real-time functional cortical mapping. Journal of visualized experiments : JoVE. , (2012).
- Ibanez, A., et al. Motor-language coupling: direct evidence from early Parkinson’s disease and intracranial cortical recordings. Cortex; a journal devoted to the study of the nervous system and behavior. 49, 968-984 (2013).
- Caplan, J. B., Madsen, J. R., Raghavachari, S., Kahana, M. J. Distinct patterns of brain oscillations underlie two basic parameters of human maze learning. J Neurophysiol. 86, 368-380 (2001).
- Watrous, A. J., Fried, I., Ekstrom, A. D. Behavioral correlates of human hippocampal delta and theta oscillations during navigation. J Neurophysiol. 105, 1747-1755 (2011).
- Roman, R., et al. Hippocampal negative event-related potential recorded in humans during a simple sensorimotor task occurs independently of motor execution. Hippocampus. , (2013).
- Jerbi, K., et al. Exploring the electrophysiological correlates of the default-mode network with intracerebral EEG. Front Syst Neurosci. 4, 27 (2010).
- Krolak-Salmon, P., Henaff, M. A., Vighetto, A., Bertrand, O., Mauguiere, F. Early amygdala reaction to fear spreading in occipital, temporal, and frontal cortex: a depth electrode ERP study in human. Neuron. 42, 665-676 (2004).
- Hudry, J., Perrin, F., Ryvlin, P., Mauguiere, F., Royet, J. P. Olfactory short-term memory and related amygdala recordings in patients with temporal lobe epilepsy. Brain. 126, 1851-1863 (2003).
- Rektor, I., Bares, M., Kubova, D. Movement-related potentials in the basal ganglia: a SEEG readiness potential study. Clin Neurophysiol. 112, 2146-2153 (2001).
- Rektor, I., Louvel, J., Lamarche, M. Intracerebral recording of potentials accompanying simple limb movements: a SEEG study in epileptic patients. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 107, 277-286 (1998).
- Mitra, P., Bokil, H. . Observed Brain Dynamics. , (2008).
- Lachaux, J. P., Axmacher, N., Mormann, F., Halgren, E., Crone, N. E. High-frequency neural activity and human cognition: past, present and possible future of intracranial EEG research. Progress in neurobiology. 98, 279-301 (2012).
- Rogers, R. D., et al. Choosing between small, likely rewards and large, unlikely rewards activates inferior and orbital prefrontal cortex. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 19, 9029-9038 (1999).
- Lachaux, J. -. P., Axmacher, N., Mormann, F., Halgren, E., Crone, N. E. High-frequency neural activity and human cognition: Past, present and possible future of intracranial EEG research. Prog. Neurobiol. 98, 279-301 (2012).
- Gale, J. T., Martinez-Rubio, C., Sheth, S. A., Eskandar, E. N. Intra-operative behavioral tasks in awake humans undergoing deep brain stimulation surgery. Journal of visualized experiments : JoVE. , (2011).
