Indagare la funzione di Deep corticale e strutture sottocorticali Usando stereotassica Elettroencefalografia: gli insegnamenti della corteccia cingolata anteriore
Summary
Stereotassica elettroencefalogramma (SEEG) è una tecnica operatoria utilizzata nella chirurgia dell'epilessia per aiutare a localizzare il sequestro foci. Esso offre anche un'occasione unica per studiare la funzione del cervello. Qui si descrive come SEEG può essere usato per studiare i processi cognitivi in soggetti umani.
Abstract
Stereotassica elettroencefalogramma (SEEG) è una tecnica utilizzata per localizzare sequestro focolai nei pazienti con epilessia intrattabile medico. Questa procedura comporta il posizionamento cronica di elettrodi multipli di profondità in regioni del cervello normalmente inaccessibile via subdurale posizionamento degli elettrodi della griglia. SEEG offre quindi un'opportunità unica per studiare la funzione del cervello. In questo articolo mostriamo come SEEG può essere utilizzato per studiare il ruolo della corteccia cingolata anteriore dorsale (DACC) nel controllo cognitivo. Includiamo una descrizione della procedura SEEG, dimostrando il posizionamento chirurgico degli elettrodi. Descriviamo i componenti e processi necessari per registrare il potenziale campo locale (LFP) dati dal consenso soggetti mentre sono impegnati in un compito comportamentale. Nell'esempio fornito, i soggetti svolgono un compito interferenza cognitiva, e ci dimostrano come i segnali vengono registrati e analizzati dagli elettrodi nel anteriore dorsale corteccia cingolata, una zona intimtamente coinvolti nel processo decisionale. Si conclude con ulteriori suggerimenti di modi in cui questo metodo può essere usato per studiare processi cognitivi umani.
Introduction
Epilessia, un disturbo neurologico comune caratterizzata da molteplici crisi ricorrenti nel corso del tempo, rappresenta l'1% del carico mondiale di malattie 1. Farmaci anti-epilettici non riescono a controllare le crisi in 20 – 30% dei pazienti 2,3. In questi pazienti medicalmente intrattabili, chirurgia dell'epilessia è spesso indicata 4,5. La decisione di procedere con un intervento chirurgico necessario localizzare la messa a fuoco di sequestro, un prerequisito per la formulazione di un piano chirurgico. Inizialmente, le tecniche non invasive vengono utilizzati per lateralizzano e localizzare la messa a fuoco di sequestro. Elettroencefalografia (EEG), ad esempio, misure di attività elettrica corticale registrato da elettrodi posti sul cuoio capelluto e che spesso può fornire informazioni sufficienti circa la posizione della messa a fuoco di sequestro. Inoltre, la risonanza magnetica (MRI) in grado di dimostrare le lesioni discrete, come sclerosi ippocampale, la classica patologia visto nella forma più comune di epilessia intrattabile medico, mesiale temporal epilessia del lobo (MTLE).
Spesso, tuttavia, il workup invasivo è in grado di identificare un focus grippaggio. In questi casi, elettrocorticografia invasiva (ECoG) con elettrodi intracerebrali è necessario per localizzare la messa a fuoco e guidare ulteriore trattamento chirurgico 6. ECoG è una tecnica neurofisiologico utilizzata per misurare l'attività elettrica utilizzando elettrodi posti a diretto contatto con il cervello. Griglie o strisce di superficie (subdurali) elettrodi sono disposti sopra la superficie del cervello, un processo che richiede una craniotomia (rimozione di un lembo osseo) e grande apertura della dura. Questi elettrodi superficiali possono essere posizionati sopra la zona putativo (s) di grippaggio insorgenza. Le estremità distali degli elettrodi sono tunnel attraverso piccole aperture nella pelle e collegati alle apparecchiature di registrazione nell'unità di monitoraggio epilessia (EMU). Nel EMU, il paziente viene monitorato per l'attività di sequestro clinica attraverso il video continua e registrazioni ECOG. Questa tecnica is utile per la raccolta a lungo termine (giorni o settimane) registrazioni di ictale e scariche elettriche interictali sopra relativamente grandi aree della superficie corticale. Mentre queste registrazioni intracraniche hanno un valore inestimabile per lo studio clinico di sequestro focolai e la propagazione, forniscono anche noi con la possibilità di studiare la funzione cognitiva e neurofisiologia nell'uomo sottoposti a compiti comportamentali specificamente progettati.
ECoG utilizzando elettrodi della griglia subdurali è stato utilizzato per studiare i vari aspetti della funzione corticale, tra cui l'elaborazione sensoriale e la lingua. Come uno dei molti esempi, Bouchard et al hanno dimostrato il coordinamento temporale della muscolatura orale nella formazione di sillabe per la lingua parlata nel sensorimotor corteccia ventrale, una regione identificata come il discorso umano corteccia sensomotoria 7. Inoltre, ECoG con il posizionamento della griglia subdurale è stato anche utilizzato per studiare i meccanismi attraverso i quali gli esseri umani sono in grado di Attend ad una particolare voce all'interno di una folla: il cosiddetto 'effetto cocktail' 8,9. Registrazioni ECOG hanno dimostrato che ci sono due gruppi neuronali distinti che traccia in modo dinamico i flussi di discorso, sia a bassa frequenza e di fase di alta gamma oscillazioni di ampiezza, e che ci sono siti di elaborazione distinti – uno del sito 'modulazione' che tiene traccia di entrambi i diffusori, e una 'selezione' sito che tiene traccia del oratore partecipato 5.
Un'altra applicazione emergente di ECoG con posizionamento degli elettrodi subdurale è il potenziale per l'uso con Cervello Computer Interfaces (BCIS), che "decodifica" attività neuronale al fine di guidare l'uscita esterna. Questa tecnologia ha il potenziale di consentire pazienti con cerebrali o lesioni del midollo spinale per comunicare con il mondo e manipolare protesi 10,11.
Mentre il posizionamento della griglia subdurale ha contribuito notevolmente alla nostra comprensione di superaree corticali ficiali ed è utile per identificare foci epilettogene corticali, questa tecnica richiede una craniotomia e dei suoi rischi connessi, ed è generalmente limitata a studiare la superficie esterna del cervello. Elettroencefalografia stereotassica (SEEG) è una tecnica che consente la valutazione del profondo foci epilettogeno 12. Con una lunga storia di uso in Francia e in Italia, è anche sempre più utilizzato negli Stati Uniti 13. SEEG prevede il posizionamento di elettrodi multipli (tipicamente 10-16) in profondità all'interno la sostanza del cervello attraverso piccole (pochi mm) fori elicoidale bava. Vantaggi di SEEG oltre placement griglia subdurale sono la sua natura meno invasiva, la facilità di esaminare emisferi bilaterali quando richiesto, e la capacità di generare mappe tridimensionali di propagazione delle crisi. Inoltre, questi elettrodi permettono l'identificazione dei foci profonda epilettogeni che erano precedentemente difficile identificare con elettrodi di superficie. Questa procedura inoltre provides la possibilità di esaminare la neurofisiologia e la funzione delle strutture corticali profonde, come il sistema limbico, corteccia mesoparietal, la corteccia mesotemporal, e la corteccia orbitofrontale, tutti erano precedentemente difficile indagare direttamente nell'uomo.
Questo documento dimostra come SEEG può essere utilizzata per studiare la funzione cognitiva nella dorsale corteccia cingolata anteriore (DACC). Il DACC è una regione del cervello ampiamente studiati, ma è anche uno dei più scarsamente compreso. Considerato una regione significativo per cognizione umana, è probabile che il DACC è centrale al trattamento neurale dinamica delle decisioni nel contesto del continuo mutevoli esigenze imposte dall'ambiente 14. Gli studi in entrambi i primati 15,16 e gli esseri umani 17 suggeriscono che il DACC integra potenziali rischi e benefici di una data azione, soprattutto in situazioni di conflitto multiple simultanee richiede 18-21, e modulates queste decisioni nel contesto delle azioni precedenti e dei loro risultati 14,22,23.
L'interferenza Multi-Source Task (MSIT), un compito comportamentale Stroop-like, è spesso utilizzato per studiare l'elaborazione conflitto in DACC. Il compito MSIT attiva il DACC reclutando neuroni coinvolti in più domini di lavorazione regolamentati dalla DACC 24,25. Questo compito si attiva specificamente il DACC testando le caratteristiche del processo decisionale, il rilevamento di target, la rilevazione della novità, il rilevamento degli errori, la selezione di risposta, e la concorrenza di stimolo / risposta. Inoltre, il compito MSIT introduce molteplici dimensioni di interferenza cognitiva, che vengono utilizzati in questo studio per indagare DACC risposte neurali a stimoli contrastanti simultanei utilizzando SEEG.
Protocol
Representative Results
Discussion
In questo documento SEEG stato usato per studiare l'attività delle popolazioni neuronali locali all'interno DACC durante un compito decisionale negli esseri umani. Il lavoro precedente ha indagato l'attività di singoli neuroni nel DACC utilizzando registrazioni microelectode intraoperatorie 14 e dimostrato che l'attività DACC è modulata dall'attività precedente. Studi di microelettrodi consentono l'indagine dell'attività incurvamento dei singoli neuroni. SEEG misura LFPs, che…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori non hanno riconoscimenti o informazioni finanziarie.
Materials
| Trigger I/O cable | Natus Medical Inc. | 5029 | PS2 to BNC cable |
| BNC cables for analog pulses | Can be ordered from most electronics stores. | ||
| Power strip with surge protection and battery backup | Tripp Lite | SMART500RT1U UPC | Power source and backup |
| National instruments multifunctional daq data acquisition box NI PCIe-6382 DAQ cards | National Instruments | PCIe-6382 w/ BNC 2090A | PCI cards for behavioral control interface |
| Custom made button box – human interface device | Any human interface device with three buttons may be used. Alternatively, 3 keyboard buttons may be used. | ||
| Xltek 128 channel clinical intracranial EEG monitoring system EMU128FS | Natus Medical Inc. | 002047c | Clinical recording system |
| Subject monitor and associated cables for visual stimulus presentation | Dell | U2212HMc | Most Monitors are adequate here. |
| Personal comptuer running behavioral software with DAQ cards installed | Superlogics | SL-2U-PD-Q87SLQ-BA | Computer for recording neural data |
| Mains cable for monitor | Usually comes with the monitor, can be purchased at any electronics store. | ||
| Monkey Logic software which runs on Matlab 2010A | Free from MonkeyLogic website | ||
| MATLAB 2010a software with data acquisition toolbox | Mathworks | Matlab software | |
| sEEG electrodes AD TECH or PMT | AD TECH | 2102-##-101 | Platinum tip, diameter (0.89 mm, 1 mm, 1.1 mm), uninsulated length 2.3 mm; The ## in the catalog number indicates the number of contacts on the electrode (08, 10, 12, or 16) |
| Cabrio connectors | PMT | 2125-##-01 | The ## in the catalog number indicates the number of contacts on the electrode (08, 10, 12, or 16) |
| Tucker Davis Technologies Amplifier | Tucker Davs Technologies | PZ5 | preamplifier for neural data |
| Tucker Davis Technologies processor | Tucker Davs Technologies | RZ2 | Neural signal processor for neural data |
| TuckerDavis Technologies data streamer | Tucker Davs Technologies | RS4 | Data streamer and storage |
| Fiber optics cables to connect TDT systems | Tucker Davs Technologies | F05 | Fiber optic cables for connecting Tucker Davis Technologies' prodcuts. |
| ribbon cable and snap serial connector for digital markers | Can be ordered from ost electronics stores. | ||
| personal computer fro running TDT RPvdsEx and OpenEx software | Superlogics | SL-2U-PD-Q87SLQ-BA | computer for behavioral control |
| middle atlantics server cabinet with casters | Middle Atlantic Products | PTRK-21 | Server case to house all of the research items |
| Tucker Davis Technologies splitter box to split clinical and research recrodings | Tucker Davs Technologies | This splitter box is a semi-custom device. Researchers should consult the attending neurologists about splitting the research and clinical recordings in a way that doesn't interfere with clinical care. | |
| Researcher monitor with requisite cables | Dell | U2212HMc | Most Monitors are adequate here. |
| button box power source – 5 volts, 2 amperes | Can be purchased at any electronics store. | ||
| TDT optical interface PCI card | Tucker Davs Technologies | P05 |
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