חוקרים את הפונקציה של עומק קליפת מוח ומבנים קורטיקליים שימוש stereotactic Electroencephalography: לקחים מCortex Anterior cingulate
Summary
Stereotactic Electroencephalography (SEEG) הוא טכניקה ניתוחית המשמשת בניתוחי אפילפסיה לעזור למקם מוקדים של התקפים. זה גם מאפשר הזדמנות ייחודית לחקור את תפקוד מוח. כאן אנו מתארים כיצד SEEG יכול לשמש כדי לחקור תהליכים קוגניטיביים בבני אדם.
Abstract
Stereotactic Electroencephalography (SEEG) הוא טכניקה המשמשת למקם מוקדים של התקפים בחולים עם אפילפסיה רפואית סוררת. הליך זה כרוך המיקום הכרוני של אלקטרודות עומק מרובה לתוך האזורים של המוח בדרך כלל אינו נגיש באמצעות מיקום האלקטרודה רשת subdural. SEEG כך מספקת הזדמנות ייחודית לחקור את תפקוד מוח. במאמר זה אנו מדגימים כיצד SEEG יכול לשמש כדי לחקור את תפקידו של רכס החגורה קדמית הגבי (dACC) בשליטה קוגניטיבית. אנו כוללים תיאור של הליך SEEG, הממחיש את המיקום כירורגית של אלקטרודות. אנו מתארים את המרכיבים ותהליך הנדרשים כדי להקליט פוטנציאל שדה מקומי נתונים (LFP) מההסכמה נבדקת בעת שעוסקות במשימה התנהגותית. בדוגמא בתנאי, נושאים לשחק משימת הפרעות קוגניטיביות, ואנו מדגימים כיצד אותות נרשמים ונותחו מאלקטרודות ברכס החגורה הקדמית גב, intim אזורמעורב המצוי בתהליך קבלת החלטות. נסיים בהצעות נוספות של דרכים שבהן שיטה זו יכולה לשמש לחקירת תהליכים קוגניטיביים אנושיים.
Introduction
אפילפסיה, הפרעת נוירולוגית שכיחה המתאפיינת בהתקפים חוזרים ונשנים מרובים לאורך זמן, מהווה 1% מהנטל העולמי של מחלות 1. תרופות נגד אפילפסיה לא מצליחות לשלוט בהתקפים ב -20 – 30% מחולי 2,3. בחולים רפואיים סוררים הללו, ניתוח אפילפסיה מצויינים לעתים קרובות 4,5. ההחלטה להמשיך עם ניתוח דורשת איתור מוקד התפיסה, תנאי מוקדם לגיבוש תכנית כירורגית. בתחילה, טכניקות לא פולשנית משמשות לlateralize ולמקם מוקד התפיסה. Electroencephalography (EEG), למשל, פעילות חשמלית בקליפת המוח אמצעים שנרשם מאלקטרודות המונחות על הקרקפת, ולעתים קרובות יכולה לספק מספיק מידע על מיקומו של מוקד התפיסה. בנוסף, הדמיה בתהודה מגנטית (MRI) יכולה להוכיח נגעים בדידים, כגון טרשת בהיפוקמפוס, פתולוגיה הקלאסית ראתה בצורה הנפוצה ביותר של אפילפסיה רפואית סוררת, לא mesialאפילפסיה emporal אונה (MTLE).
לעתים קרובות, עם זאת, הבירור לא פולשנית אינו יכול לזהות מוקד תפיסה. במקרים אלה, electrocorticography פולשנית (ECOG) עם אלקטרודות תוך-מוחיות נדרש למקם את המיקוד ולהנחות את טיפול כירורגים נוסף 6. ECOG הוא טכניקת neurophysiological המשמשת למדידת פעילות חשמלית באמצעות אלקטרודות המונחות במגע ישיר עם המוח. רשתות או רצועות של משטח אלקטרודות (subdural) ממוקמות על פני השטח של המוח, תהליך שדורש פתיחת גולגולת (הסרת דש עצם) ופתיחה גדולה של הדורה. ניתן להציב אלקטרודות משטח אלה מעל האזור המשוער (ים) של תחילת התקף. הקצוות המרוחקים של האלקטרודות מנהרה דרך פתחים קטנים בעור ומחובר לציוד ההקלטה ביחידת ניטור אפילפסיה (EMU). בEMU, החולה נתון למעקב לפעילות התקפים קליני באמצעות וידאו רציף והקלטות ECOG. i טכניקה זושימושי לאיסוף לטווח ארוך (ימים עד שבועות) הקלטות של ictal והתפרקויות חשמליות interictal על פני שטחים גדולים יחסית של פני השטח של קליפת המוח של. בעוד הקלטות תוך גולגולתי אלה לא יסולא בפז קליני לחקירת מוקדים של התקפים והתפשטות, הם גם מספקים לנו את ההזדמנות כדי לחקור את תפקוד הקוגניטיבי ונוירופיזיולוגיה בבני אדם עוברים משימות התנהגותיות שתוכננו במיוחד.
ECOG באמצעות אלקטרודות רשת subdural נעשה שימוש כדי לחקור היבטים שונים של תפקוד קליפת המוח, לרבות עיבוד חושי ושפה. כדוגמה אחת מיני רבות, Bouchard et al הראה התיאום הזמני של שרירי הפה בהיווצרותה של הברות לשפה מדוברת בקליפת המוח הסנסורית הגחון, אזור שזוהה כקליפה הסנסורית הדיבור האנושי 7. יתר על כן, ECOG עם מיקום רשת subdural גם נוצל כדי לחקור את המנגנונים שבאמצעותם בני האדם מסוגלים attenד לקול מסוים בתוך קהל: מה שנקרא "אפקט מסיבת הקוקטייל '8,9. הקלטות ECOG הוכיחו כי יש שתי להקות שונות עצביות שאופן דינמי לעקוב אחר זרמי דיבור, תנודות שני שלב בתדר נמוך וגבוה גמא האמפליטודה, וכי יש אתרי עיבוד שונים – אתר אחד 'אפנון' העוקב אחר שני הרמקולים, ו'בחירה 'אחד אתר העוקב אחר דברן השתתף 5.
יישום אחר המתעוררים מECOG עם מיקום האלקטרודה subdural הוא הפוטנציאל לשימוש עם מוח ממשקי מחשב (BCIs), שבו "לפענח" פעילות עצבית כדי לנהוג פלט חיצוני. טכנולוגיה זו יש את הפוטנציאל של מתן חולים עם מוח חמור או פגיעות בעמוד השדרה כדי לתקשר עם העולם ולטפל תותבות 10,11.
בעוד מיקום רשת subdural תרם רב להבנת העל שלנואזורים בקליפת המוח ficial ושימושי בזיהוי מוקדי epileptogenic קליפת המוח, טכניקה זו דורשת פתיחת גולגולת וסיכונים הכרוכים בו, והוא מוגבל בדרך כלל ללימוד על פני השטח החיצוניים של המוח. electroencephalography stereotactic (SEEG) הוא טכניקה המאפשרת ההערכה של מוקדי epileptogenic עמוקים 12. עם היסטוריה של שימוש בצרפת ובאיטליה ארוכה, הוא גם יותר ויותר בשימוש בארה"ב 13. SEEG כרוך המיקום של אלקטרודות מרובות (בדרך כלל 10-16) עמוק בתוך החומר של המוח באמצעות (כמה מ"מ) חורים בר תרגיל טוויסט קטנים. יתרונות של SEEG על מיקום רשת subdural כוללים טבעה פחות פולשניות, את הקלות של בחינת ההמיספרות דו-צדדיות בעת צורך, ואת היכולת ליצור מפות תלת-ממדיות של התפשטות התקף. יתר על כן, אלקטרודות אלה מאפשרים זיהוי של מוקדי epileptogenic העמוקים שהיו קשים בעבר להזדהות עם אלקטרודות פני השטח. הליך זה גם מעמיד לes ההזדמנות לחקור נוירופיזיולוגיה ותפקוד של מבנים בקליפת המוח עמוקים, כגון מערכת הלימבית, קליפת mesoparietal, קליפת mesotemporal, וקליפת orbitofrontal, שכולן היו קשה בעבר לחקור ישירות בבני אדם.
מסמך זה מדגים כיצד ניתן לנצל SEEG לחקור את תפקוד הקוגניטיבי בקליפת המוח הקדמית גב cingulate (dACC). DACC הוא אזור במוח שנחקר באופן נרחב, אבל זה גם אחד מהבין הכי גרוע. נחשב אזור משמעותי להכרה אנושית, סביר להניח כי dACC הוא מרכזי לעיבוד העצבי הדינמי של החלטות בהקשר של דרישות משתנות ללא הרף שהוטלו על ידי הסביבה 14. מחקרים בשני הקופים ובני האדם 15,16 17 מצביעים על כך שdACC משלב סיכונים והטבות פוטנציאליים של פעולה מסוימת, במיוחד במצבים של סותר בו זמנית דורש 18-21, ומטרodulates החלטות אלה בהקשר של פעולות קודמות והתוצאות שלהם 14,22,23.
התערבות רב-מקור המשימות (MSIT), משימה התנהגותיות כמו שטרופ, משמשת לעתים קרובות כדי לחקור עיבוד סכסוך בdACC. משימת MSIT מפעילה את dACC על ידי גיוס נוירונים מעורבים במספר תחומים של עיבוד מוסדרים על ידי dACC 24,25. משימה זו באופן ספציפי מפעילה את dACC על ידי בדיקת תכונות של קבלת החלטות, איתור היעד, זיהוי חידוש, זיהוי שגיאות, בחירת תגובה, ותחרות גירוי / תגובה. בנוסף, משימת MSIT מציגה ממדים רבים של הפרעות קוגניטיביות, אשר מנוצלות במחקר זה כדי לחקור תגובות עצביות dACC לגירויים סותרים בו זמנית באמצעות SEEG.
Protocol
Representative Results
Discussion
במאמר זה SEEG שימש כדי לחקור את הפעילות של אוכלוסיות נוירונים המקומיות בdACC במהלך משימת קבלת החלטות בבני אדם. העבודה קודמת חקרה את הפעילות של נוירונים בודדים בdACC באמצעות הקלטות microelectode במהלך ניתוח 14 והוכיחה כי פעילות dACC היא מווסתת על ידי פעילות קודמת. מחקרי microelectro…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אי לנו תודות או גילויים פיננסיים.
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 |
References
- Murray, C. J., Lopez, A. D., Jamison, D. T. The global burden of disease in 1990: summary results, sensitivity analysis and future directions. Bulletin of the World Health Organization. 72, 495 (1994).
- Berg, A. T. Understanding the delay before epilepsy surgery: who develops intractable focal epilepsy and when. CNS Spectr. 9, 136-144 (2004).
- Hauser, W. A. . Epilepsy: frequency, causes and consequences. , (1990).
- Wiebe, S., Blume, W. T., Girvin, J. P., Eliasziw, M. A Randomized, Controlled Trial of Surgery for Temporal-Lobe Epilepsy. New England Journal of Medicine. 345, 311-318 (2001).
- Fisher, R. Electrical stimulation of the anterior nucleus of thalamus for treatment of refractory epilepsy. Epilepsia. 51, 899-908 (2010).
- Zumsteg, D., Wieser, H. G. Presurgical evaluation: current role of invasive EEG. Epilepsia. 41, S55-S60 (2000).
- Bouchard, K. E., Mesgarani, N., Johnson, K., Chang, E. F. Functional organization of human sensorimotor cortex for speech articulation. Nature. 495, 327-332 (2013).
- Zion Golumbic, E. M. Mechanisms underlying selective neuronal tracking of attended speech at a ‘cocktail party’. Neuron. 77, 980-991 (2013).
- Mesgarani, N., Chang, E. F. Selective cortical representation of attended speaker in multi-talker speech perception. Nature. 485, 233-236 (2012).
- Leuthardt, E. C., Miller, K. J., Schalk, G., Rao, R. P. N., Ojemann, J. G. Electrocorticography-based brain computer Interface-the seattle experience. Neural Systems and Rehabilitation Engineering, IEEE Transactions on. 14, 194-198 (2006).
- Leuthardt, E. C., Schalk, G., Wolpaw, J. R., Ojemann, J. G., Moran, D. W. A brain-computer interface using electrocorticographic signals in humans. Journal of neural engineering. 1, 63-71 (2004).
- Talairach, J. New approach to the neurosurgery of epilepsy. Stereotaxic methodology and therapeutic results. 1. Introduction and history. Neurochirurgie. 20, 1-240 (1974).
- Gonzalez-Martinez, J. Stereotactic placement of depth electrodes in medically intractable epilepsy. Journal of neurosurgery. 120, 639-644 (2014).
- Sheth, S. A. Human dorsal anterior cingulate cortex neurons mediate ongoing behavioural adaptation. Nature. 488, 218-221 (2012).
- Hayden, B. Y., Platt, M. L. Neurons in anterior cingulate cortex multiplex information about reward and action. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 30, 3339-3346 (2010).
- Hayden, B. Y., Pearson, J. M., Platt, M. L. Fictive Reward Signals in the Anterior Cingulate Cortex. Science. 324, 948-950 (2009).
- Williams, Z. M., Bush, G., Rauch, S. L., Cosgrove, G. R., Eskandar, E. N. Human anterior cingulate neurons and the integration of monetary reward with motor responses. Nature neuroscience. 7, 1370-1375 (2004).
- Botvinick, M., Nystrom, L. E., Fissell, K., Carter, C. S., Cohen, J. D. Conflict monitoring versus selection-for-action in anterior cingulate cortex. Nature. 402, 179-181 (1999).
- Carter, C. S., Van Veen, V. Anterior cingulate cortex and conflict detection: an update of theory and data. Cognitive, Affective, & Behavioral Neuroscience. 7, 367-379 (2007).
- Botvinick, M. M., Cohen, J. D., Carter, C. S. Conflict monitoring and anterior cingulate cortex: an update. Trends in cognitive sciences. 8, 539-546 (2004).
- Veen, V., Carter, C. S. The anterior cingulate as a conflict monitor: fMRI and ERP studies. Physiology & Behavior. 77, 477-482 (2002).
- Kennerley, S. W., Walton, M. E., Behrens, T. E. J., Buckley, M. J., Rushworth, M. F. S. Optimal decision making and the anterior cingulate cortex. Nat Neurosci. 9, 940-947 (2006).
- Brown, J. W., Braver, T. S. Learned predictions of error likelihood in the anterior cingulate cortex. Science. 307, 1118-1121 (2005).
- Bush, G., Shin, L. M., Holmes, J., Rosen, B. R., Vogt, B. A. The Multi-Source Interference Task: validation study with fMRI in individual subjects. Mol Psychiatry. 8, 60-70 (2003).
- Bush, G., Shin, L. M. The Multi-Source Interference Task: an fMRI task that reliably activates the cingulo-frontal-parietal cognitive/attention network. Nature protocols. 1, 308-313 (2006).
- Candelaria, L. M., Smith, R. K. Propofol infusion technique for outpatient general anesthesia. J Oral Maxillofac Surg. 53, 124-128 (1995).
- Shafer, A., Doze, V. A., Shafer, S. L., White, P. F. Pharmacokinetics and pharmacodynamics of propofol infusions during general anesthesia. Anesthesiology. 69, 348-356 (1988).
- Cohen, D. S., Lustgarten, J. H., Miller, E., Khandji, A. G., Goodman, R. R. Effects of coregistration of MR to CT images on MR stereotactic accuracy. J Neurosurg. 82, 772-779 (1995).
- Ken, S. Quantitative evaluation for brain CT/MRI coregistration based on maximization of mutual information in patients with focal epilepsy investigated with subdural electrodes. Magn Reson Imaging. 25, 883-888 (2007).
- Niemann, K., Naujokat, C., Pohl, G., Wollner, C., von Keyserlingk, D. Verification of the Schaltenbrand and Wahren stereotactic atlas. Acta neurochirurgica. 129, 72-81 (1994).
- Nowinski, W. L. Anatomical targeting in functional neurosurgery by the simultaneous use of multiple Schaltenbrand-Wahren brain atlas microseries. Stereotact Funct Neurosurg. 71, 103-116 (1998).
- Hopper, W. R., Moss, R. Common breaks in sterile technique: clinical perspectives and perioperative implications. AORN J. 91, 350-364 (2010).
- Mangram, A. J., Horan, T. C., Pearson, M. L., Silver, L. C., Jarvis, W. R. Guideline for prevention of surgical site infection. Hospital Infection Control Practices Advisory Committee. Infect Control Hosp Epidemiol. 20, 250-278 (1999).
- Asaad, W. F., Eskandar, E. N. A flexible software tool for temporally-precise behavioral control in Matlab. Journal of Neuroscience Methods. 174, 245-258 (2008).
- Asaad, W. F., Eskandar, E. N. Achieving behavioral control with millisecond resolution in a high-level programming environment. Journal of Neuroscience Methods. 173, 235-240 (2008).
- Bokil, H., Andrews, P., Kulkarni, J. E., Mehta, S., Mitra, P. P. Chronux: A platform for analyzing neural signals. Journal of Neuroscience Methods. 192, 146-151 (2010).
- Bokil, P. M. a. H. . Observed Brain Dynamics. , (2008).
- Chronux. . , (2014).
- Miller, K. J. Broadband Spectral Change: Evidence for a Macroscale Correlate of Population Firing Rate. The Journal of Neuroscience. 30, 6477-6479 (2010).
- Buzsáki, G., Anastassiou, C. A., Koch, C. The origin of extracellular fields and currents — EEG, ECoG, LFP and spikes. Nat Rev Neurosci. 13, 407-420 (2012).
- Carter, C. S. Anterior cingulate cortex, error detection, and the online monitoring of performance. Science. 280, 747-749 (1998).
- Botvinick, M., Nystrom, L. E., Fissell, K., Carter, C. S., Cohen, J. D. Conflict monitoring versus selection-for-action in anterior cingulate cortex. Nature. 402, 179-181 (1999).
- Holroyd, C. B., Coles, M. G. The neural basis of human error processing: reinforcement learning, dopamine, and the error-related negativity. Psychological review. 109, 679-709 (2002).
- Shenhav, A., Botvinick, M. M., Cohen, J. D. The expected value of control: an integrative theory of anterior cingulate cortex function. Neuron. 79, 217-240 (2013).
- Roesch, M. R., Olson, C. R. Neuronal Activity Related to Reward Value and Motivation in Primate Frontal Cortex. Science. 304, 307-310 (2004).
- Croxson, P. L. Quantitative Investigation of Connections of the Prefrontal Cortex in the Human and Macaque using Probabilistic Diffusion Tractography. The Journal of Neuroscience. 25, 8854-8866 (2005).
- Rushworth, M. F. S., Behrens, T. E. J., Rudebeck, P. H., Walton, M. E. Contrasting roles for cingulate and orbitofrontal cortex in decisions and social behaviour. Trends in Cognitive Sciences. 11, 168-176 (2007).
- Kawasaki, H. Single-neuron responses to emotional visual stimuli recorded in human ventral prefrontal cortex. Nat Neurosci. 4, 15-16 (2001).
- Wang, S. Neurons in the human amygdala selective for perceived emotion. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111, E3110-E3119 (2014).
- Milad, M. R., Rauch, S. L. The role of the orbitofrontal cortex in anxiety disorders. Annals of the New York Academy of Sciences. 1121, 546-561 (2007).
- Milad, M. R., Rauch, S. L. Obsessive-compulsive disorder: beyond segregated cortico-striatal pathways. Trends Cogn Sci. 16, 43-51 (2012).
- Raichle, M. E. A default mode of brain function. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 98, 676-682 (2001).
- David, N. Neural representations of self versus other: visual-spatial perspective taking and agency in a virtual ball-tossing game. Journal of cognitive neuroscience. 18, 898-910 (2006).
- Kjaer, T. W., Nowak, M., Lou, H. C. Reflective self-awareness and conscious states: PET evidence for a common midline parietofrontal core. NeuroImage. 17, 1080-1086 (2002).
- Kircher, T. T. The neural correlates of intentional and incidental self processing. Neuropsychologia. 40, 683-692 (2002).
- Addis, D. R., McIntosh, A. R., Moscovitch, M., Crawley, A. P., McAndrews, M. P. Characterizing spatial and temporal features of autobiographical memory retrieval networks: a partial least squares approach. NeuroImage. 23, 1460-1471 (2004).
- Gilboa, A., Winocur, G., Grady, C. L., Hevenor, S. J., Moscovitch, M. Remembering our past: functional neuroanatomy of recollection of recent and very remote personal events. Cerebral cortex (New York, N.Y. : 1991). 14, 1214-1225 (2004).
- Cavanna, A. E., Trimble, M. R. The precuneus: a review of its functional anatomy and behavioural correlates. Brain: a journal of neurology. 129, 564-583 (2006).
