Brug Saccadometry med Deep Brain Stimulation at studere normal og patologisk Brain Function

Summary

This paper describes the use of quantitative measurement of eye movements in conjunction with stimulation of focal areas of the deep brain in order to study physiology, pathophysiology, and the mechanisms of deep brain stimulation.

Abstract

The oculomotor system involves a large number of brain areas including parts of the basal ganglia, and various neurodegenerative diseases including Parkinson’s and Huntington’s can disrupt it. People with Parkinson’s disease, for example, tend to have increased saccadic latencies. Consequently, the quantitative measurement of saccadic eye movements has received considerable attention as a potential biomarker for neurodegenerative conditions. A lot more can be learned about the brain in both health and disease by observing what happens to eye movements when the function of specific brain areas is perturbed. Deep brain stimulation is a surgical intervention used for the management of a range of neurological conditions including Parkinson’s disease, in which stimulating electrodes are placed in specific brain areas including several sites in the basal ganglia. Eye movement measurements can then be made with the stimulator systems both off and on and the results compared. With suitable experimental design, this approach can be used to study the pathophysiology of the disease being treated, the mechanism by which DBS exerts it beneficial effects, and even aspects of normal neurophysiology.

Introduction

I de senere år har der været stigende interesse for brugen af målinger af reaktionstider som en kvantitativ og ikke-invasiv måde at få oplysninger om mekanismerne for neural beslutningstagning ¹ på højt niveau. En type reaktionstid, der er blevet undersøgt grundigt, er den tid det tager at starte en saccade mod forevisning af en visuel stimulus, kendt som saccadiske latenstid. Saccades er de hurtige øjenbevægelser der opstår, når vi hurtigt skifte blikket fra et sted til et andet. De er den mest almindelige type af øjenbevægelser vi laver, der forekommer ved en frekvens på typisk to eller tre pr sekund. Hver saccade i realiteten er en beslutning om at se på en cue i den visuelle verden frem for en anden ^to.

De nervebaner, der styrer øjenbevægelser er blevet undersøgt grundigt, og er ret veldokumenteret ^3. Brug følsomt elektronisk udstyr, kan aspekter af oculomotor funktion være præcist og objectively kvantificeret. Dette letter detaljeret undersøgelse af øjenbevægelser selv, men også giver dem mulighed for at blive brugt som et redskab til at undersøge andre områder af neurofysiologi og patofysiologi.

Øjenbevægelser måling kan give nyttige oplysninger om sygdomstilstande. Saccadiske øjenbevægelser nylig har f.eks fået megen opmærksomhed som potentielle biomarkører i neurodegenerative lidelser, herunder Huntingtons ^4,5 og Parkinsons sygdomme ^6,7, og det er velkendt, at saccadiske reaktionstider tendens til at være langsommere end normalt i disse betingelser. Potentielle anvendelser af saccadiske måling omfatter hjælpemidler til diagnose og sygdom tracking. Saccadiske opgaver spænder fra det enkle prosaccade (ser så hurtigt som muligt i retning af en pludselig optræder visuel stimulans til venstre eller højre) til mere komplekse opgaver som f.eks antisaccade (ser så hurtigt som muligt til den modsatte side til en visuel stimulus) eller hukommelses- guidet saccade (sermod husket placeringen af ​​et mål, der ikke længere er der).

Deep brain stimulation er en effektiv behandling i adskillige neurologiske tilstande. Det er mest almindeligt anvendt til behandling af motoriske symptomer på Parkinsons sygdom, herunder tremor, rigiditet, bradykinesi, og dyskinesi. Det er også anvendes til andre bevægelsesforstyrrelser herunder dystoni og essentiel tremor, og mindre almindeligt for neuropatisk smerte, epilepsi, og psykiatriske tilstande såsom obsessiv kompulsiv lidelse. Det er den eneste indstilling, hvor forskerne har direkte elektrisk adgang til dybe strukturer i den menneskelige hjerne in vivo og tilbyder således en værdifuld mulighed for eksperimentel neurologi. En række mål stimuleres afhængig af den tilstand, der behandles, herunder flere steder i de basale ganglier, hvoraf mange er involveret i oculomotor pathways. Det betyder, at en lang række undersøgelser kan udføres under anvendelse af DBS systemet til at levere stimulationtil en given hjerne placering og en eye tracking enhed til at registrere og analysere dens virkninger. Afhængigt af den eksperimentelle paradigme, kan sådanne undersøgelser give information om fysiologi i regionen der stimuleres, virkningerne af sygdommen, eller den mekanisme, hvormed DBS arbejder i denne særlige indstilling. Denne artikel beskriver en generel tilgang til saccadiske øjenbevægelser test i Deep Brain Stimulation patienter.

Flere forskellige typer af eye tracking udstyr er til rådighed. For den forskning, der er beskrevet i denne protokol en bærbar saccadometer blev brugt til at optage vandrette saccadiske øjenbevægelser. Bærbare saccadometers har den fordel ikke at kræve nakkestøtte (se figur 1), hvilket betyder, at sessioner er mere komfortabel for patienter med Parkinsons sygdom, især for dem, der lider med svær dyskinesier. Den saccadometer bruges her er let og ca. 5 cm bred og 10 cm høj. Den saccadometer measures øjenbevægelser ved brug af direkte infrarød oculography: en infrarød kilde og føler placeret foran den mediale øjenkrog anvendelse lys reflekteret fra hornhinden for at etablere rotationspositionen for øjeæblet ved millisekund mellemrum. For at opnå god kvalitet data til analyse af saccadometer bør prøve med en hastighed på mindst 1 kHz med mindst en 12 bit opløsning. I saccadometer bruges her de visuelle stimuli var tre røde 13 cd ^m-2 pletter af lys fra indbygget lav effekt lasere, hver plet ses under nogle 0,1 grader, med en plet i midterlinjen og de ​​to andre på ± 10 grader (dvs. , til højre og venstre).

Figur 1. Saccadometer. Hovedmonterede saccadometer knyttet til en elastik og hvilende på næseryggen. Fire miniature lasere projekt visuelle måls på en mat overflade, og deltagerens øjenbevægelser måles ved differential infrarød reflektans transducere på den nasale side af hvert øje. Som laser mål bevæger sig med hovedet, nakkestøtter er ikke påkrævet. Klik her for at se en større version af dette tal.

Protocol

Den lokale etiske komité godkendt denne undersøgelse og informeret samtykket blev opnået fra deltagerne som beskrevet nedenfor i afsnit 1. 1. Deltager Samtykke Giv deltagerne et oplysningsskema, der forklarer i detaljer, hvad test session vil omfatte. Efter at deltagerne har mulighed for at læse og drøfte eventuelle spørgsmål, bekymringer eller andre spørgsmål i forbindelse med deres deltagelse i undersøgelsen, gå gennem samtykkeerklæring med dem, forklarer h…

Representative Results

Figur 3 viser et eksempel på saccadiske øjenbevægelser baner, fra et patienten med Parkinsons sygdom med en nucleus subthalamicus DBS-system implanteret. De to grafer plotte patientens prosaccades med stimulatoren systemet slukket (øverste graf) og tændt (nederste graf). Hvert spor på graferne viser bane af en enkelt saccade, dvs. hvor øjet position i grader væk fra midterlinjen (y-akse) varierer som funktion af tid (x-akse). Både mod venstre og er høj…

Discussion

Den mest kritiske faktor i at opnå saccadiske data af god kvalitet er at sikre, at instrukserne til deltageren er klare og præcise. For eksempel, hvis vejledningen til antisaccadic opgave er ikke helt klart, at deltageren er sandsynligvis til at udføre prosaccades stedet. Optagelser kan også være forkælet, hvis deltageren ikke tydeligt kan se de stimuli eller saccadometer kan ikke præcist måle øjenhøjde. Så hvis dataene synes at være af lav kvalitet forsøgslederen skal kontrollere, at det omgivende lys er i…

Materials

Saccadometer device ( Ober Consulting Poland)

Computer with Windows environment

Software, Latency Meter for downloading the raw data from the saccadometer.