שימוש Saccadometry עם דיפ גירוי המוח לחקר תפקוד מוח נורמלי ופתולוגיים

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

בשנים האחרונות חל עניין גובר השימוש מדיד של זמני תגובה כדרך כמוני ולא פולשנית של צובר מידע על מנגנוני רמה הגבוהה של החלטה עצבית ביצוע ^1. סוג אחד של זמן תגובה כי נחקר בהרחבה הוא הזמן שנדרש כדי ליזום saccade על הצגת גירוי חזותי, המכונה חביון saccadic. הקפיצות האלה הם תנועות עיניים מהירות המתרחשות כאשר אנו במהירות משמרת מבטנו ממקום אחד למשנהו. הם הסוג הנפוץ ביותר של תנועות עיניים שאנו עושים, המתרחשים בתדירות של טיפוסי שתיים או שלוש לשנייה. Saccade כל הוא למעשה החלטה להסתכל מוט אחד בעולם הוויזואלי במקום ² אחר.

המסלולים העצביים שליטת תנועות עיניים נחקרו רבים והם די טובים מתועדים ^3. באמצעות ציוד אלקטרוני רגיש, היבטים של תפקוד oculomotor יכול להיות מדויק objectively לכמת. זה מקל על המחקר המפורט של תנועות עיניים עצמם אלא גם מאפשר להם לשמש ככלי לחקור תחומים אחרים של לנוירופיזיולוגיה והפתופיזיולוגיה.

מדידת תנועות עיניים יכולה לספק מידע שימושי על מצב מחלה. תנועות עיניים Saccadic לא מזמן, למשל, זכה לתשומת לב רבה כמו סמנים ביולוגיים פוטנציאליים בהפרעות ניווניות כולל מחלות ^4,5 ופרקינסון הנטינגטון ^6,7, וזה כבר הוכח כי זמני התגובה saccadic נוטים להיות איטי מהרגיל בתנאים אלה. שימושים אפשריים של מדידת saccadic כוללים עזרים לאבחון ומעקב מחלה. משימות Saccadic נעות בין prosaccade הפשוטה (מחפשת כמה שיותר מהר לכיוון גירוי חזותי המופיע פתאום שמאלה או ימינה) משימות מורכבות יותר כגון antisaccade (מחפש כמה שיותר מהר אל הצד הנגדי לגירוי חזותי) או זכרוני saccade מודרך (מחפשלעבר מקום הזכר של מטרה כי הוא כבר לא שם).

גירוי מוחי עמוק הוא טיפול יעיל תנאי נוירולוגיות שונים. זה הוא הנפוץ ביותר לטיפול בסימפטומים המנוע של מחלת פרקינסון כולל רעד, נוקשות, bradykinesia, ו dyskinesia. כמו כן הוא משמש לטיפול בהפרעות תנועה אחרות כולל דיסטוניה ורעד חיוני, ופחות נפוץ עבור כאב נוירופתי, אפילפסיה, הפרעות פסיכיאטריות כגון הפרעת אובססיבית כפייתית. זה המסגרת היחידה שבה יש מדעני גישה חשמלית ישירה מבנים עמוקים של המוח האנושי in vivo ובכך מציע הזדמנות נדירה עבור לנוירולוגיה ניסויית. מגוון של מטרות הם גירוי תלוי לבעיה מטופלת, כולל בכמה מקומות בגרעיני הבסיס, שרבים מהם מעורבים מסלולי oculomotor. משמעות הדבר היא כי מגוון של מחקרים רחב ניתן לבצע באמצעות מערכת DBS לספק גירוילמיקום מוח נתון מכשיר מעקב עיניים להקליט ולנתח את השפעותיו. בהתאם פרדיגמה ניסויית, מחקרים כאלה עשויים להניב מידע על הפיזיולוגיה של האזור מגורה, את ההשפעות של המחלה, או את המנגנון שבאמצעותו DBS פועלת באותה הגדרה מסוימת. מאמר זה מתאר גישה כללית בדיקות תנועות עיניים saccadic בחולים גירוי עמוק המוח.

סוגים שונים של ציוד מעקב עיניים זמינים. עבור המחקר המתואר בפרוטוקול זה saccadometer נייד שמש להקליט תנועות עיני saccadic אופקיות. Saccadometers הנייד יש את היתרון של לא המחייב משענת הראש (ראה איור 1), כלומר הפעלות הן נוחות יותר עבור חולים עם מחלת פרקינסון, במיוחד עבור אלה הסובלים עם Tardive החמור. Saccadometer משמש כאן הוא קל משקל כ רחב 5 ס"מ ו -10 ס"מ. Saccadometer צפחותתנועות עיני מיל ידי השימוש oculography אינפרא האדום הישיר: מקור אינפרא אדום חיישן מתמקם מול אור שימוש canthus המדיאלי מוחזר מן הקרנית כדי לקבוע את מיקום הסיבוב של גלגל העין במרווחי זמן האלפית שני. על מנת להשיג נתונים באיכות טובה עבור ניתוח saccadometer צריך לדגום בקצב של kHz 1 לפחות עם לפחות רזולוציה של 12 ביט. בשנתי ה saccadometer משמש כאן הגירויים החזותיים היו שלוש אדום 13 cd מ ^-2 נקודות של אור המיוצר על ידי מובנה לייזרים צריכים חשמל נמוכים, כל נקודה subtending כ 0.1 מעלות, עם נקודה אחת קו האמצע ואת השניים האחרים ב ± 10 מעלות (כלומר , ימינה ושמאל).

איור 1. Saccadometer. ראש רכוב saccadometer מצורף גומייה ומונח על גשר האף. ארבעה לייזרים מיניאטורי להקרין יעד חזותיים על משטח מט, ואת תנועות העיניים של המשתתף נמדד על ידי התמר החזרה אינפרא אדום הפרש בצד האף של כל עין. כמו מטרות לייזר לנוע עם הראש, משענות הראש אינם נדרשים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Protocol

ועדת האתיקה המקומית אישרה במחקר זה והודיע ​​הסכים התקבל המשתתפים כמפורט להלן בסעיף 1. 1. הסכמה משתתף לתת למשתתפי דף מידע המסביר בפירוט מה פגישת הבדיקות תכלול. <li style=";text-align:right;dir…

Representative Results

איור 3 מציג דוגמה של מסלולי תנועות עיניים saccadic, מחולה מחלת פרקינסון עם מערכת subthalamic גרעין DBS המושתל. שני גרפי עלילת prosaccades של החולה עם מערכת הממריץ כבויה (גרף עליון) ודליקה (גרף תחתון). כל זכר על הגרפים מראה את מסלולו של saccade יחיד, כלומר, איך…

Discussion

הגורם הקריטי ביותר בהשגת נתוני saccadic באיכות טובה הוא להבטיח כי ההוראות שניתנו המשתתף ברורות ומדויקות. לדוגמא, אם את ההוראות למשימת antisaccadic אינן ברורות לחלוטין, המשתתף צפוי לבצע prosaccades במקום. הקלטות יכולות להיות מפונקות גם אם המשתתף לא יכול לראות את הגירויים בבירור או sa…

Materials

Saccadometer device ( Ober Consulting Poland)

Computer with Windows environment

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