Выполнение поведенческие задачи в субъектах с внутричерепных электродов
Summary
Пациенты с имплантированным внутричерепных электродов предоставляют уникальную возможность записать неврологические данные из нескольких областях мозга, когда пациент выполняет поведенческие задачи. Здесь мы представляем способ записи из имплантированных пациентов, которые могут быть воспроизводимым в других учреждениях, имеющих доступ к данной популяции пациентов.
Abstract
Пациенты, имеющие стерео-электроэнцефалография (Seeg) электродные, субдуральная сетки или глубины электродов имплантаты имеют множество электродов, имплантированных в различных областях их мозга для локализации их внимания захват и красноречивых областях. После имплантации пациент должен оставаться в больнице до патологическое область мозга не обнаружено и, возможно, резекции. В течение этого времени, эти пациенты дают уникальную возможность для научного сообщества, потому что любое количество поведенческих парадигм могут быть выполнены, чтобы раскрыть нейронные корреляты что руководство поведение. Здесь мы представляем метод регистрации активности головного мозга от внутричерепных имплантатов как субъекты выполнить поведенческую задачу предназначенной для оценки процесса принятия решений и кодировку вознаграждение. Все электрофизиологические данные внутричерепных электродов записываются в поведенческих задач, позволяя за рассмотрение многих областях мозга, участвующих в одной функции на временных масштабах отношение к поведению.Более того, и в отличие от исследований на животных, больных человека можете узнать самые разнообразные поведенческие задач быстро, что позволяет за способность выполнять несколько задач в этой же теме или для выполнения контроля. Несмотря на многие преимущества этой техники для понимания функции человеческого мозга, есть и методологические ограничения, которые мы обсуждаем, в том числе экологических факторов, обезболивающее действие, временных ограничений и записей из пораженной ткани. Этот метод может быть легко реализована в любом учреждении, которое выполняет внутричерепные оценок; предоставляя возможность непосредственно изучить функцию человеческого мозга во время поведения.
Introduction
Эпилепсия является одним из наиболее распространенных заболеваний мозга, характеризуется хронически рецидивирующими приступами в результате чрезмерных электрических разрядов из групп нейронов. Эпилепсия поражает около 50 миллионов человек по всему миру и около 40% всех людей, страдающих эпилепсией имеют трудноразрешимые приступы, которые не могут быть полностью контролируемые медикаментозной терапии 1. Хирургическое вмешательство может привести к приступов статуса, если области мозга, ответственные за генерацию судорог (эпилептогенной зоны – EZ) локализованы и удалены хирургическим путем или отключен. Для того чтобы определить анатомическую расположение EZ и его близость с возможными корковых и подкорковых красноречивых областях, массив неинвазивных инструментов доступны: анализ приступов симптоматики, видео-головы электроэнцефалографическими записей (иктальных и интериктальных записи), нейропсихологические тестирования , магнитоэнцефалография (МЭГ) и МРТ 2. Когда неинвазивный данных является недостаточным для preciselу определить местоположение гипотетического EZ, когда есть подозрение на ранней участия красноречивым корковых и подкорковых областях или когда есть возможность для мульти-координационных судорог, хронический инвазивный контроль может потребоваться 3,4.
Методы хронического инвазивного мониторинга для определения местоположения и границ с EZ может включать субдуральной сетки и полосы, с электродами, расположенными на поверхности мозга, и стерео-электроэнцефалография (Seeg), когда несколько электродов глубина размещаются в мозге в трех- мерное моды. Subdural внутричерепные записи были первоначально сообщалось в 1939 году, когда Пенфильд и его коллеги использовали эпидуральную одиночные контактные электроды у пациента со старым левой перелома височно-теменной и чьи пневмоэнцефалография раскрыты диффузный церебральный атрофию 5. Впоследствии, использование субдуральной массивов сетки стали более популярными после многочисленных публикаций в течение 1980-х годов показали, ихБезопасность и эффективность 6. Метод Зег была разработана и популяризировал во Франции Жан Tailarach и Жан Bancaud в 50-е и был в основном используется во Франции и Италии, как метод выбора для инвазивной отображения в огнеупорной фокальной эпилепсии 7-9.
Принцип Зег основана на анатомо-электро-клинический корреляций, которые принимает в качестве основного принципа 3-мерную пространственно-временной организации эпилептического разряда в мозге в корреляции с судорожной симптоматики. Стратегия имплантация индивидуализированы, с размещением электродов на основе преимплантационной гипотезы, которая принимает во внимание первичную организацию в эпилептиформной активности и гипотетический эпилептический сети, участвующих в распространении судорог. По мнению ряда европейских и последние североамериканских отчеты, методология Зег позволяет точные записи из глубоких корковых и подкорковых структур, многократного несмежный ЛоБес, и двусторонние изыскания, избегая при этом потребность в больших краниотомии 10-15. Впоследствии, послеоперационные изображения взяты получить точное анатомическое положение имплантированных электродов. Впоследствии начала периода мониторинга, в котором пациенты остаются в больнице в течение от 1 до 4 недель, чтобы записать интериктальных и параличом деятельности от имплантированных электродов. Этот период мониторинга подходящее время для изучения функции мозга с помощью событий, связанных с Зег анализ, как нет дополнительный риск, и пациент, как правило, рассматривает научное исследование в качестве приветственного отсрочку от мирской период мониторинга. Записи получил от внутричерепные электроды не только жизненно важное значение для улучшения оценки и ухода за больных эпилепсией, но дополнительно обеспечивают исключительную возможность изучить мозговую деятельность человека во время поведенческих парадигм.
Некоторые исследователи уже осознали возможность изучить инвазивных записи сбольных эпилепсией. Хилл и др. Сообщил о методологии для записи electrocorticographic (ЭГ) сигналы от пациентов для функциональной корковой отображения 16. ЭГ записи также проливают на мотор-языковой связи 17. Пациенты с имплантированными электродами глубины провели навигационные задачи для изучения колебаний мозга в памяти, обучения 18 и передвижения 19. Глубина первые записи были также использованы для изучения парадигмы с иным недостижимой временным разрешением, таких как гиппокампа вызванной активности 20 нейронной активности в умолчанию режима сети 21 в, и височной ходе эмоционального обработки 22. Юдри др изучали пациентов с височной эпилепсией, которые были Зег электродов, имплантированных в их миндалины для краткосрочных обонятельных раздражителей, соответствующих 23. Другая группа изучила простые движения конечностей, такие как сгибания рук или одностороннего движения рукой или ногой в здоровом BRAIп сайты от больных эпилепсией с имплантированным Зег 24,25.
Исследования, описанные выше, являются небольшая выборка очень разнообразной коллекции соответствующей литературы. Там существует непреодолимый потенциал, чтобы узнать и понять, как работает человеческий мозг с помощью комбинации поведенческих задач и внутричерепных записей. Хотя существуют и другие способы для достижения этой цели, внутричерепные записи обладают рядом преимуществ, включая высоким временным и пространственным разрешением, а также доступ к более глубоким структурам. Авторы стремятся описать общую методологию для записи пациентов с внутричерепной электродов при поведенческих задач. Тем не менее, есть несколько сдерживающих факторов и барьеров для успешного завершения клинических исследований у пациентов, получающих лечение. Ограничения, искажающие эффекты, и значение этого исследования также будут выявлены и разведаны.
Protocol
Representative Results
Discussion
Здесь мы представили способ выполнения внутричерепные электрофизиологические исследования на людях, как они участвуют в поведенческих задач. Эта методология и ее простые перестановки важны для изучения движения человека и познания. В то время как по своей сути существует преимущест?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Efri-MC3: # 1137237 присуждена SVS и ОЦГ
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).
