Undersöka Funktion av djupa kortikala och subkortikala strukturer Använda Stereotactic Elektroencefalografi: Lärdomar från främre cingulum Cortex

Summary

Stereotaktisk Elektroencefalografi (SEEG) är en operationsteknik som används vid epilepsi kirurgi för att hjälpa lokalisera beslag härdar. Det ger också en unik möjlighet att undersöka hjärnans funktion. Här beskriver vi hur SEEG kan användas för att undersöka kognitiva processer i humana individer.

Abstract

Stereotaktisk Elektroencefalografi (SEEG) är en teknik som används för att lokalisera beslag härdar hos patienter med medicinskt svårbehandlad epilepsi. Detta förfarande involverar kronisk placering av flera djupelektroder in i regioner av hjärnan typiskt otillgängliga via subduralt gallerelektrodplacering. SEEG tillhandahåller således en unik möjlighet att undersöka hjärnans funktion. I denna uppsats visar vi hur SEEG kan användas för att undersöka vilken roll den dorsala främre cingulum cortex (DACC) i kognitiv kontroll. Vi inkluderar en beskrivning av SEEG förfarandet, vilket visar den kirurgiska placeringen av elektroderna. Vi beskriver komponenterna och process som krävs för att spela in den lokala fältpotential uppgifter (LFP) från samtyckande individer medan de är sysselsatta i en beteendevetenskaplig uppgift. I exemplet, ämnen spelar en kognitiv störning uppgift, och vi visar hur signaler registreras och analyseras från elektroder i den dorsala främre cingulum cortex, en intim areabart delaktiga i beslutsfattandet. Vi avslutar med ytterligare förslag på hur denna metod kan användas för att undersöka mänskliga kognitiva processer.

Introduction

Epilepsi, en gemensam neurologisk sjukdom som kännetecknas av multipla återkommande anfall med tiden, svarar för 1% av den globala bördan av sjukdomar ^1. Antiepileptiska läkemedel misslyckas med att kontrollera kramper hos 20 – 30% av patienterna ^2,3. I dessa medicinskt svårbehandlade patienter, är epilepsi kirurgi ofta indikerade ^4,5. Beslutet att gå vidare med operationen kräver lokalisera beslag fokus, en förutsättning för att formulera en kirurgisk plan. Initialt är icke-invasiva metoder som används för att lateralize och lokalisera beslag fokus. Elektroencefalografi (EEG), till exempel, åtgärder kortikal elektrisk aktivitet registrerats från elektroder placerade i hårbotten och kan ofta ge tillräcklig information om placeringen av beslag fokus. Dessutom kan magnetisk resonanstomografi (MRT) visar diskreta lesioner, såsom hippocampus skleros, den klassiska patologi ses i den vanligaste formen av medicinskt svår epilepsi, mesiala temporal lob epilepsi (MTLE).

Ofta är dock den icke-invasiv upparbetning inte kan identifiera ett anfall fokus. I dessa fall är invasiv electrocorticography (ECOG) med intracerebrala elektroder som krävs för att lokalisera fokus och styra ytterligare kirurgisk behandling ^6. ECOG är en neurofysiologisk teknik som används för att mäta elektriska aktivitet med användning av elektroder placerade i direkt kontakt med hjärnan. Galler eller remsor av ytan (subdural) elektroder placeras över ytan av hjärnan, en process som kräver en kraniotomi (avlägsnande av en benklaffen) och stor öppning av dura. Dessa ytelektroder kan placeras över den förmodade (n) i beslag debut. De distala ändarna av elektrod tunnlas genom små öppningar i huden och är ansluten till färdskrivaren i epilepsi övervakningsenhet (EMU). I EMU, är att patienten övervakas för kliniska anfallsaktivitet genom kontinuerlig video och ECOG inspelningar. Denna teknik is Används för att samla långsiktiga (dagar till veckor) inspelningar av ictal och Interiktal elektriska urladdningar över relativt stora områden av den kortikala ytan. Medan dessa intrakraniella inspelningar är ovärderliga kliniskt för att undersöka beslag fokus och förökning, de ger oss också möjlighet att undersöka kognitiv funktion och neurofysiologi hos människor som genomgår specifikt utformade beteende arbetsuppgifter.

ECOG använder subdural gallerelektroder har använts för att undersöka olika aspekter av kortikal funktion, inklusive sensorisk och språkbehandling. Som ett av många exempel, Bouchard et al visade den tidsmässiga samordningen av den orala muskulaturen i bildandet av stavelser för talat språk i ventrala sensorimotor cortex, en region identifierats som mänskligt tal sensorimotor cortex ^7. Dessutom ECOG med subdural galler placering har också använts för att studera de mekanismer genom vilka människan har möjlighet att attend till en särskild röst inom en folkmassa: det så kallade "cocktailparty effekt" ^8,9. ECOG inspelningar visade att det finns två distinkta neuronala band som dynamiskt spåra tal strömmar, både låg fas frekvens och hög gamma amplitud fluktuationer, och att det finns tydliga behandlingsplatser – en modulering site som spårar både högtalare och en "urvals" webbplats som spårar deltog talker ^5.

En annan framväxande tillämpning av ECOG med subduralt elektrodplacering är potentialen för användning med Brain Computer Interface (BCIS), vilket "avkoda" neuronal aktivitet för att driva en extern utgång. Denna teknik har potential att låta patienter med svår hjärnan eller ryggmärgsskador att kommunicera med världen och manipulera proteser ^10,11.

Medan subduralt grid placering har starkt bidragit till vår förståelse av supergjord kortikala områden och är användbar vid identifiering kortikala epileptogena foci, gör denna teknik kräver en kraniotomi och dess åtföljande risker, och är i allmänhet begränsad till att studera den yttre ytan av hjärnan. Stereotaktisk elektroencefalografi (SEEG) är en teknik som gör det möjligt att bedöma djup epileptogena foci ^12. Med en lång historia av användning i Frankrike och Italien, det är också i allt större utsträckning i USA ^13. SEEG innebär placering av multipla elektroder (typiskt 10-16) djupt inom ämnet av hjärnan genom små (några mm) spiralborr Burr hål. Fördelar med SEEG över subduralt rutnät placering omfattar dess mindre invasiv art, hur lätt undersöka bilaterala halvklot vid behov, och förmågan att generera tredimensionella kartor över anfalls förökning. Dessutom är dessa elektroder möjliggör identifiering av djupa epileptogena foci som tidigare var svåra att identifiera med ytelektroder. Detta förfarande provid ocksåes möjlighet att undersöka neurofysiologi och funktion av djupa kortikala strukturer, såsom det limbiska systemet, den mesoparietal cortex, den mesotemporal cortex, och orbitofrontal cortex, som alla var tidigare svårt att direkt undersöka i människor.

Denna uppsats visar hur SEEG kan utnyttjas för att undersöka den kognitiva funktionen i dorsal anterior cingulate cortex (DACC). Den DACC är en allmänt undersökt hjärnregion, men det är också en av de mest dåligt kända. Betraktas som en betydande region för mänsklig kognition, är det sannolikt att DACC är central för den dynamiska neurala bearbetning av beslut i samband med ständigt förändrade krav som ställs av omgivningen ^14. Studier i både primater ^15,16 och människor ¹⁷ antyder att DACC integrerar potentiella risker och fördelar av en given åtgärd, särskilt i situationer med flera samtidiga motstridiga krav ^18-21, och modulates dessa beslut i samband med tidigare åtgärder och deras resultat ^14,22,23.

Multi-Source Interference Task (MSIT), ett Stroop-liknande beteende uppgift, används ofta för att undersöka konfliktbearbetning i DACC. Den MSIT uppgiften aktiverar DACC genom att rekrytera nervceller som är involverade i flera domäner för behandling regleras i DACC ^24,25. Denna uppgift specifikt aktiverar DACC genom att testa funktionerna i beslutsfattandet, måldetektering, krimskrams upptäckt, felsökning, val svar, och stimulus / respons konkurrens. Dessutom introducerar MSIT uppgiften flera dimensioner av kognitiv störning, som används i denna studie för att undersöka DACC neurala reaktioner på samtidiga motstridiga stimuli med hjälp SEEG.

Protocol

Se till att varje patient granskas för lämplighet för forskningsstudien, och lämpliga patienter måste samtyckt att delta i studien enligt lokala IRK förfaranden. 1. Patient Urval för SEEG och forskning Patient Selektion för SEEG Obs: Epilepsi patienter måste kliniskt bedömas av ett multidisciplinärt team bestående av epileptologists, neuropsykolog och neurokirurger. Se till att patienten har medicinskt refraktär fokal epilepsi, definierat som inte svar…

Representative Results

När en patient har valts för SEEG elektrodplacering, han / hon genomgår en volyme T2 och T1 kontrastförstärkt MRI. Seeg elektrod banor sedan planerade att använda stereotaktisk navigering av volymetriska MRI sekvenser (Figur 1). Denna teknik gör det möjligt för insamling av lokala fält potentialer från strukturer djupt inom cortex såsom rygg främre cingulum cortex (ljusorange bana, figur 1) som inte skulle vara möjligt med typiska ytelektrod placering. Postoperativt i EMU,…

Discussion

I denna uppsats SEEG användes för att undersöka aktiviteten av lokala neuronala populationer inom DACC under ett beslutsuppgift hos människor. Tidigare arbete har undersökt aktiviteten av enskilda nervceller i DACC använder intraoperativa microelectode inspelningar ¹⁴ och visade att DACC aktivitet moduleras av tidigare verksamhet. Mikroelektrod studier möjliggör utredningen av tillsatta aktivitet enskilda nervceller. SEEG mäter LFPs, som är relaterade till de summerade synaptiska potentialer över e…

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