Esecuzione di attività comportamentali in soggetti con intracraniche Elettrodi

Summary

I pazienti impiantati con elettrodi intracranici forniscono un'occasione unica per registrare i dati neurologici da più aree del cervello mentre il paziente esegue attività comportamentali. Qui, vi presentiamo un metodo di registrazione da pazienti impiantati che possono essere riproducibile in altri istituti con l'accesso a questa popolazione di pazienti.

Abstract

I pazienti che hanno stereo-elettroencefalografia (SEEG) elettrodi, griglia o profondità subdurale impianti di elettrodi hanno una moltitudine di elettrodi impiantati in diverse aree del loro cervello per la localizzazione della loro attenzione sequestro e aree eloquenti. Dopo l'impianto, il paziente deve rimanere in ospedale fino a quando l'area patologica del cervello si trova ed eventualmente asportato. Durante questo periodo, questi pazienti offrono un'opportunità unica per la comunità di ricerca, perché ogni numero di paradigmi comportamentali può essere eseguita per scoprire la correlazione neurale che il comportamento di guida. Qui vi presentiamo un metodo per registrare l'attività cerebrale da impianti intracranici come soggetti svolgono un compito comportamentale progettato per valutare il processo decisionale e la codifica ricompensa. Tutti i dati elettrofisiologici dagli elettrodi intracranici sono registrati durante il compito comportamentale, consentendo l'esame delle numerose aree cerebrali coinvolte in una singola funzione a scale temporali rilevanti per il comportamento.Inoltre, a differenza di studi su animali, pazienti umani possono imparare una grande varietà di compiti comportamentali rapidamente, consentendo la possibilità di eseguire più di un compito nello stesso soggetto o per i controlli dello spettacolo. Nonostante i numerosi vantaggi di questa tecnica per comprendere la funzione del cervello umano, ci sono anche limitazioni metodologiche che analizzeremo, tra cui i fattori ambientali, gli effetti analgesici, vincoli di tempo e registrazioni di tessuto malato. Questo metodo può essere facilmente implementata da qualsiasi istituzione che effettua valutazioni intracranici; offrendo l'opportunità di esaminare direttamente la funzione del cervello umano durante comportamento.

Introduction

L'epilessia è uno dei disturbi cerebrali più comuni, caratterizzata da crisi ricorrenti cronici derivanti da eccessive scariche elettriche provenienti da gruppi di neuroni. L'epilessia colpisce circa 50 milioni di persone in tutto il mondo e circa il 40% di tutte le persone con epilessia hanno convulsioni intrattabili che non possono essere completamente controllati dalla terapia medica ^1. La chirurgia può risultare in stato di libero sequestro se le aree cerebrali responsabili della generazione di convulsioni (la zona epilettogena – EZ) sono localizzati e chirurgicamente rimossi o scollegati. Al fine di definire la posizione anatomica della EZ e la sua vicinanza con possibili aree eloquenti corticali e subcorticali, una serie di strumenti non invasivi sono disponibili: analisi di sequestro semiologia, registrazioni elettroencefalografiche di video-cuoio (ictali e registrazioni interictali), test neuropsicologici , magnetoencefalografia (MEG) e la risonanza magnetica ^2. Quando i dati non invasivo è insufficiente per precisely definiscono la posizione della EZ ipotetico, quando vi è il sospetto di coinvolgimento precoce di corticale eloquente e aree sottocorticali o quando c'è la possibilità di crisi epilettiche multifocali, il monitoraggio invasivo cronica può essere richiesto ^3,4.

Metodi di monitoraggio croniche invasivo per definire l'ubicazione e il perimetro di un EZ può includere griglie subdurali e strisce, con elettrodi posti sulla superficie del cervello, e stereo-elettroencefalografia (SEEG), quando più gli elettrodi di profondità sono collocati nel cervello in tre moda dimensionale. Registrazioni intracraniche subdurali sono stati inizialmente riportati nel 1939, quando Penfield e colleghi hanno utilizzato elettrodi di contatto singoli epidurale in un paziente con una vecchia frattura temporale-parietale sinistro e la cui pneumoencephalography comunicati diffusa atrofia cerebrale ^5. Successivamente, l'uso di array griglia subdurali è diventato più popolare dopo più pubblicazioni nel corso del 1980 hanno dimostrato la lorosicurezza ed efficacia ^6. Il metodo SEEG è stato sviluppato e reso popolare in Francia da Jean Tailarach e Jean Bancaud negli anni '50 ed è stato in gran parte utilizzato in Francia e in Italia, come il metodo di scelta per la mappatura invasiva refrattaria epilessia focale ^7-9.

Il principio di SEEG si basa sulle correlazioni anatomo-elettro-clinico, che ha come principio fondamentale l'organizzazione spazio-temporale 3-dimensionale dello scarico epilettica nel cervello in correlazione con sequestro semiologia. La strategia impianto è individualizzato, con il posizionamento degli elettrodi basato su un'ipotesi preimpianto che prende in considerazione l'organizzazione principale dell'attività epilettiforme e la rete epilettico ipotetica coinvolti nella propagazione di convulsioni. Secondo diversi rapporti nordamericani e europei recenti, la metodologia SEEG consente registrazioni precise profonde strutture corticali e sottocorticali, più lo non contiguibes, ed esplorazioni bilaterali, evitando la necessità di grandi craniotomie ^10-15. Successivamente, immagini postoperatorie sono prese per ottenere l'esatta posizione anatomica degli elettrodi impiantati. Successivamente, inizia un periodo di monitoraggio in cui i pazienti rimangono in ospedale per un periodo da 1 a 4 settimane, al fine di registrare le attività interictali e ictali dagli elettrodi impiantati. Questo periodo di monitoraggio è un momento opportuno per studiare la funzione del cervello con eventi legati analisi SEEG, in quanto non vi è alcun rischio aggiunto e il paziente vede tipicamente lo studio di ricerca come una tregua benvenuto dal periodo di monitoraggio mondano. Le registrazioni raccolto dagli elettrodi intracranici non solo sono di vitale importanza per una migliore valutazione e la cura dei pazienti affetti da epilessia, ma in aggiunta offrono l'eccezionale opportunità di studiare l'attività del cervello umano durante paradigmi comportamentali.

Diversi ricercatori hanno già realizzato la possibilità di studiare le registrazioni invasive dapazienti con epilessia. Hill et al. Riportato sulla metodologia per la registrazione electrocorticographic (ECOG) segnali di pazienti per la mappatura corticale funzionale ^16. Registrazioni ECOG hanno anche fornito informazioni di accoppiamento motore-lingua ^17. I pazienti con elettrodi di profondità impiantati hanno effettuato attività di navigazione per studiare le oscillazioni cerebrali in memoria, l'apprendimento e il movimento ^{18 19.} Registrazioni elettrodi di profondità sono stati utilizzati anche per studiare i paradigmi con risoluzione temporale altrimenti irraggiungibili come ippocampale evocata l'attività ^20, l'attività neurale nella rete default-mode ^21, e il corso temporale di elaborazione emotiva ^22. Hudry et al hanno studiato i pazienti con epilessia del lobo temporale che aveva elettrodi SEEG impiantati nel loro amigdala per stimoli olfattivi a breve termine di corrispondenza ^23. Un altro gruppo ha studiato semplici movimenti degli arti, come la flessione mano o movimento unilaterale della mano o il piede in brai sanositi n di pazienti epilettici con impiantati SEEG ^24,25.

Gli studi di cui sopra sono un piccolo campione di una collezione molto varia di letteratura rilevante. Esiste un potenziale insormontabile per imparare e capire come funziona il cervello umano utilizzando una combinazione di compiti comportamentali e registrazioni intracraniche. Mentre ci sono altri metodi per raggiungere tale obiettivo, le registrazioni intracraniche possiedono diversi vantaggi, tra cui ad alta risoluzione temporale e spaziale, nonché l'accesso alle strutture più profonde. Gli autori hanno lo scopo di descrivere la metodologia generale per la registrazione da pazienti con elettrodi intracranici durante compiti comportamentali. Tuttavia, ci sono diversi fattori dissuasivi e barriere di completare con successo la ricerca clinica nei pazienti che ricevono cure. Limitazioni, effetti confondenti, e il significato di questa ricerca saranno identificati e esplorate.

Protocol

Tutte le attività sono state eseguite secondo un protocollo approvato presentata al Institutional Review Board (IRB), della Cleveland Clinic Foundation. Un processo di consenso informato è stato condotto con ogni paziente prima di tutte le attività di ricerca. In questo esempio, un soggetto che soddisfi il criterio studio che ha avuto stereo-elettroencefalografia (Seeg) elettrodi impiantati per sequestro è scelto. Il progetto è stato discusso con il soggetto e hanno acconsentito a partecipare. <p class="jove_ti…

Representative Results

In questi risultati vi presentiamo l'analisi dei dati Seeg dal sistema limbico catturato in un soggetto suonare il Task guerra. Siamo in grado di dimostrare che i vari aspetti della Task guerra evocano significativo della banda gamma (40 – 150 Hz), la modulazione del sistema limbico (Figura 1). Come si è visto, nella corteccia visiva, la presentazione di un oggetto sui risultati dello schermo in una latenza veloce (~ 200 msec) risposta banda larga indipendentemente dalla contingenza compito. Inoltr…

Discussion

Qui abbiamo presentato un metodo per l'esecuzione di studi elettrofisiologici intracraniche negli esseri umani, come si impegnano in un compito comportamentale. Questa metodologia e le sue semplici permutazioni sono importanti per lo studio del movimento umano e la cognizione. Mentre esiste intrinsecamente vantaggi e svantaggi di ogni tecnica, la registrazione da elettrodi intracranici ha dei vantaggi rispetto ad altre tecniche elettrofisiologiche e di imaging. Due dei principali vantaggi sono la capacità di raccog…

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