Darstellende Behavioral Aufgaben bei Patienten mit Hirnelektroden

Summary

Patienten mit intrakraniellen Elektroden implantiert bieten eine einzigartige Gelegenheit, um neurologische Daten aus mehreren Bereichen des Gehirns aufzeichnen, während der Patient führt Verhaltensaufgaben. Hier präsentieren wir ein Verfahren zur Aufzeichnung von implantierten Patienten, die reproduzierbar an anderen Institutionen mit Zugang zu dieser Patientengruppe sein kann.

Abstract

Patienten mit Stereo-Elektroenzephalographie (SEEG) Elektrode, subduralen Gitterelektrode oder Tiefe Implantate haben eine Vielzahl von Elektroden in verschiedenen Bereichen des Gehirns für die Lokalisierung ihrer Beschlagnahme Fokus und eloquent Bereiche implantiert. Nach der Implantation ist der Patient im Krankenhaus bleiben, bis der pathologischen Bereich Gehirn gefunden wird, und gegebenenfalls reseziert. Während dieser Zeit bieten diese Patienten eine einzigartige Gelegenheit, die Forschungsgemeinschaft, weil eine beliebige Anzahl von Verhaltensparadigmen durchgeführt, um die neuronalen entdecken werden, dass Führungsverhalten korreliert. Hier präsentieren wir eine Methode zur Aufzeichnung der Hirnaktivität von Hirnimplantaten als Subjekte führen eine Verhaltensaufgabe entwickelt, um die Entscheidungsfindung und Belohnung Codierung zu bewerten. Alle elektrophysiologischen Daten aus den intrakraniellen Elektroden während der Verhaltens Aufgabe aufgezeichnet, so dass für die Untersuchung der in einer Funktion zum Zeitpunkt beteiligt vielen Bereichen des Gehirns Skalen relevanten Verhalten.Darüber hinaus und im Gegensatz zu Tierversuchen menschlichen Patienten kann eine Vielzahl von Verhaltens Aufgaben schnell zu lernen, so dass die Fähigkeit, mehr als eine Aufgabe in der gleichen Person oder zur Durchführung von Kontrollen durchzuführen. Trotz der vielen Vorteile dieser Technik für das Verständnis der menschlichen Gehirnfunktion, gibt es auch methodische Einschränkungen, die wir diskutieren, einschließlich der Umweltfaktoren, schmerzstillende Wirkung, Zeitdruck und Aufnahmen von erkrankten Gewebe. Dieses Verfahren kann leicht von jedem Institut, das intrakranielle Einschätzungen führt umgesetzt werden; bietet die Möglichkeit, menschliche Gehirnfunktion zu untersuchen direkt beim Verhalten.

Introduction

Epilepsie ist eine der häufigsten Erkrankungen des Gehirns, gekennzeichnet durch chronisch wiederkehrende Anfälle von starken elektrischen Entladungen von Neuronengruppen resultieren. Epilepsie betrifft etwa 50 Millionen Menschen weltweit und etwa 40% aller Menschen mit Epilepsie haben hartnäckige Anfälle, die nicht vollständig durch die medizinische Therapie ¹ gesteuert werden kann. Operation kann der Anfallsfreiheit führen, wenn die Hirnareale für die Erzeugung von Anfällen (der epileptogenen Zone – EZ) verantwortlich sind, lokalisiert und operativ entfernt oder getrennt. Um die anatomische Lage der EZ und die Nähe mit möglichen kortikalen und subkortikalen eloquent Bereiche zu definieren, eine Reihe von nicht-invasive Werkzeuge zur Verfügung: Analyse der Anfallssemiologie, Video-EEG-Aufnahmen Kopfhaut (iktale und interiktalen Aufnahmen), neuropsychologische Tests , Magnetenzephalographie (MEG) und MRT ^2. Wenn die nicht-invasive Daten nicht ausreichen, um precisel isty definieren die Lage des hypothetischen EZ, wenn der Verdacht besteht, der frühzeitigen Einbeziehung der eloquenten kortikalen und subkortikalen Gebieten oder, wenn es die Möglichkeit für Multi-fokalen Anfällen, kann chronische invasive Überwachung erforderlich ^3,4 werden.

Methoden der chronischen invasive Überwachung für die Festlegung der Lage und Grenzen eines EZ kann subduralen Grids und Streifen, mit Elektroden, die auf die Gehirnoberfläche platziert und Stereo-Elektroenzephalographie (SEEG), wenn mehrere Tiefenelektroden im Gehirn in einer drei platziert sind dimensionale Mode. Subdurale Hirn Aufnahmen wurden zunächst im Jahr 1939 gemeldet, wenn Penfield und Kollegen verwendeten epidurale einzigen Kontaktelektroden bei einem Patienten mit einem alten linken Schläfen-parietalen Fraktur und deren pneumoencephalography offen diffuse Hirnatrophie ^5. Anschließend wird die Verwendung von subduralen Grid-Arrays immer beliebter wurde nach mehreren Publikationen in den 1980er Jahren zeigten ihreSicherheit und Wirksamkeit ^6. Die SEEG Methode entwickelt und in den 50er Jahren in Frankreich von Jean Tailarach und Jean Bancaud populär und wurde vor allem in Frankreich und Italien als die Methode der Wahl für invasive Abbildung in feuerfesten fokalen Epilepsie ^7-9 verwendet.

Das Prinzip der SEEG auf anatomisch-elektro-klinische Zusammenhänge, die als Hauptprinzip innerhalb des Gehirns in Korrelation mit Anfallssemiologie nimmt den 3-dimensionalen Raum-Zeit-Organisation des epileptischen Entladung basiert. Die Implantation Strategie ist individualisiert, mit Elektrodenplatzierung auf der Grundlage einer Präimplantationsdiagnostik Hypothese, dass berücksichtigt die primäre Organisation der epileptischen Aktivität und die hypothetische epileptischen Netzwerk in der Verbreitung von Anfällen beteiligt. Nach mehreren europäischen und nordamerikanischen jüngsten Berichte, SEEG Methodik ermöglicht präzise Aufnahmen aus tiefen kortikalen und subkortikalen Strukturen, mehrere nicht zusammenhängende lobes, und bilateralen Erkundungen unter Vermeidung der Notwendigkeit für große Kraniotomien ^10-15. Danach werden die postoperative Bilder aufgenommen, um die genaue anatomische Lage der implantierten Elektroden zu erhalten. Anschließend wird eine Überwachungszeit beginnt, in der Patienten bleiben in der Klinik für einen Zeitraum von 1 bis 4 Wochen, um interiktalen und iktale Aktivitäten von den implantierten Elektroden aufzeichnen. Dieser Beobachtungszeitraum ist ein günstiger Zeitpunkt für die Untersuchung der Gehirnfunktion mit ereignisbezogenen SEEG-Analyse, da es keine zusätzliche Risiko und der Patient in der Regel sieht die Studie als eine willkommene Atempause von der weltlichen Überwachungszeitraum. Die Aufnahmen erhielt von intrakraniellen Elektroden nicht nur wichtig für eine bessere Bewertung und Betreuung von Epilepsie-Patienten sind, sondern zusätzlich bieten die außergewöhnliche Gelegenheit, die menschliche Hirnaktivität während der Verhaltensparadigmen zu untersuchen.

Mehrere Forscher haben bereits die Möglichkeit, Aufnahmen von invasiven studieren realisiertEpilepsie-Patienten. Hill et al. Zur Methodik für die Aufnahme electrocorticographic (ECoG) Signale von Patienten für funktionelle kortikale Mapping ¹⁶ berichtet. ECoG Aufnahmen wurden auch auf Kraft-Sprache Kupplung ¹⁷ vorgesehen Einsicht. Patienten mit implantierten Tiefenelektroden haben Navigationsaufgaben durchgeführt, um Gehirnschwingungen in Erinnerung zu studieren, lernen ¹⁸ und ¹⁹ Bewegung. Tiefe Elektrode Aufnahmen wurden auch verwendet, um Paradigmen bei sonst unerreichbar zeitlicher Auflösung zu studieren, wie Hippocampus hervorgerufen Aktivität ^20, neuronale Aktivität in der ^{Standard-Netzwerk-Modus-21} und dem zeitlichen Verlauf der emotionalen Verarbeitung ^22. Hudry et al untersuchten Patienten mit Temporallappen-Epilepsie, die SEEG Elektroden für kurzfristige Geruchsreize pass ²³ in ihre Amygdala implantiert hatte. Eine andere Gruppe hat einfache Bewegungen der Gliedmaßen wie Hand Flexion oder einseitige Bewegung der Hand oder Fuß in gesunden brai studierten Webseiten, die Epilepsie-Patienten mit implantierten SEEG ^24,25.

Die oben beschriebenen Studien sind eine kleine Auswahl aus einem sehr vielfältige Sammlung von einschlägigen Literatur. Es besteht eine unüberwindbare Potenzial zu lernen und zu verstehen, wie das menschliche Gehirn arbeitet mit einer Kombination aus Verhaltens Aufgaben und intrakranielle Aufnahmen. Zwar gibt es andere Methoden zur Erreichung dieses Ziels, intrakranielle Aufnahmen besitzen mehrere Vorteile, darunter hohe zeitliche und räumliche Auflösung sowie Zugang zu tieferen Strukturen. Die Autoren wollen die allgemeine Methode für die Aufnahme von Patienten mit intrakraniellen Elektroden während Verhaltens Aufgaben zu beschreiben. Es gibt jedoch mehrere Abschreckung und Hindernisse erfolgreichen Abschluss der klinischen Forschung in betreuten Patienten. Einschränkungen, verwirrende Effekte, und die Bedeutung dieser Forschung wird auch erkannt und erforscht werden.

Protocol

Alle Aufgaben wurden nach einer auf die Institutional Review Board (IRB) von der Cleveland Clinic Foundation eingereicht genehmigten Protokoll durchgeführt. Eine Einwilligung Verfahren wurde mit jedem Patienten vor allen Forschungsaktivitäten durchgeführt. In diesem Beispiel wird ein Thema, das Kriterium, das Stereo-Studie-Elektroenzephalographie erfüllt hatte (SEEG) Elektroden für Beschlagnahme implantiert wird gewählt. Das Projekt wurde mit dem Thema diskutiert und sie zugestimmt haben, sich zu beteiligen. <…

Representative Results

In diesen Ergebnissen stellen wir die Analyse der Daten aus der SEEG limbischen Systems in einem Fach die Wiedergabe der Kriegs Aufgabe gefangen genommen. Wir können zeigen, dass verschiedene Aspekte der Aufgabenkrieg hervorrufen signifikanten Gamma-Band (40 bis 150 Hz) Modulation im limbischen System (Abbildung 1). Wie unabhängig von der Aufgabe Notfall gesehen, in der Sehrinde, die Präsentation eines Objekts auf dem Bildschirm führt zu einer schnellen Latenz (~ 200 ms) Breitband Antwort. Darüber …

Discussion

Hier haben wir ein Verfahren zur Durchführung elektrophysiologischer intrakraniellen Studien am Menschen, wie sie in einem Verhaltens Aufgabe engagieren vorgestellt. Diese Methodik und ihre einfache Permutationen sind wichtig für das Studium der menschlichen Bewegung und Kognition. Während es existiert von Natur-und Nachteile für jede Technik, die Aufnahme von Hirnelektroden hat Vorteile gegenüber anderen elektrophysiologischen und bildgebenden Verfahren. Zwei der wichtigsten Vorteile sind die Möglichkeit, qualita…

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