Bruke Saccadometry med dyp hjernestimulering for å studere normal og patologisk hjernefunksjon

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 årene har det vært økende interesse for bruk av målinger av reaksjonstider som en kvantitativ og ikke-invasiv måte å få informasjon om det høye nivået mekanismene for nevral beslutnings ^en. En type av reaksjonstiden som har blitt studert i stor utstrekning er den tid det tar å sette i gang en saccade mot fremvisning av en visuell stimulus, kjent som rykningsamplituden ventetid. Rykninger er de raske øyebevegelser som oppstår når vi raskt skifte blikket fra ett sted til et annet. De er den vanligste typen av øyebevegelser vi gjøre, som forekommer ved en frekvens på vanligvis to eller tre per sekund. Hver saccade er i realiteten en beslutning om å se på en kø i den visuelle verden i stedet for en annen ^to.

Nervebaner som styrer øyebevegelser har blitt studert og er ganske godt dokumentert ^tre. Ved hjelp av følsomt elektronisk utstyr, kan aspekter av oculomotor funksjon være nøyaktig og objectively kvantifisert. Dette letter detaljert studie av øyebevegelser i seg selv, men også gjør det mulig for dem å bli brukt som et verktøy for å undersøke andre områder av nevrofysiologi og patofysiologi.

Øyebevegelser måling kan gi nyttig informasjon om sykdomstilstander. Rykke øyebevegelser har nylig, for eksempel, fikk mye oppmerksomhet som potensielle biomarkører i nevrodegenerative lidelser, inkludert Huntingtons ^4,5 og Parkinsons sykdom ^6,7, og det er godt etablert at rykke reaksjonstider pleier å være tregere enn normalt i disse forholdene. Potensielle anvendelser av rykningsamplituden målingen inkluderer hjelpemidler til diagnose og sykdom sporing. Rykke oppgaver spenner fra det enkle prosaccade (ser så raskt som mulig mot en plutselig vises visuell stimulans til venstre eller høyre) til mer komplekse oppgaver som antisaccade (ser så raskt som mulig til motsatt side til en visuell stimulans) eller minne- guidet saccade (sermot husket plasseringen av et mål som ikke lenger er der).

Dyp hjernestimulering er en effektiv behandling for mange nevrologiske tilstander. Det er mest vanlig å behandle de motoriske symptomer på Parkinsons sykdom inkludert tremor, rigiditet, bradykinesi, og dyskinesi. Det er også brukt for andre bevegelsesforstyrrelser inkludert dystoni og essensiell tremor, og mindre vanlig for nevropatisk smerte, epilepsi og psykiatriske tilstander som tvangslidelser. Det er den eneste innstillingen som forskerne har direkte elektrisk tilgang til dype strukturene i den menneskelige hjerne in vivo, og tilbyr dermed en verdifull mulighet for eksperimentell nevrologi. En rekke mål er stimulert, avhengig av tilstanden som behandles, inkludert flere steder i de basale ganglier, hvorav mange er involvert i oculomotor veier. Dette betyr at en lang rekke undersøkelser kan gjennomføres ved bruk av DBS-systemet for å levere stimuleringtil en gitt hjerne beliggenhet og en eye tracking-enhet for å registrere og analysere dens effekter. Avhengig av den eksperimentelle paradigmet, kan slike undersøkelser gi informasjon om fysiologien av regionen som blir stimulert, effektene av sykdommen eller den mekanismen som DBS arbeider i det aktuelle miljø. Denne artikkelen beskriver en generell tilnærming til rykningsamplituden øyebevegelser testing i dyp hjernestimulering pasienter.

Flere forskjellige typer eye tracking utstyr er tilgjengelig. For forskningen er beskrevet i denne protokollen en bærbar saccadometer ble brukt til å ta opp horisontale rykke øyebevegelser. Bærbare saccadometers har fordelen av ikke å kreve hodestøtten (se figur 1), noe som betyr at økter er mer behagelig for pasienter med Parkinsons sykdom, spesielt for dem som lider med alvorlig dyskinesi. Den saccadometer brukt her er lett og ca 5 cm bred og 10 cm høy. Den saccadometer måleres øyebevegelser ved bruk av direkte infrarød okulografi: en infrarød kilde og sensor plassert foran den mediale canthus bruk lys som reflekteres fra hornhinnen for å etablere dreiestilling av øyeeplet ved millisekunders intervaller. For å skaffe gode data for analyse saccadometer bør prøve med en hastighet på minst 1 kHz med minst 12 bits oppløsning. I saccadometer anvendt her de visuelle stimuli var tre røde 13 cd m ^-2 flekker av lys som produseres av bygget i laveffektslasere, hver flekk strakte enkelte 0,1 grader, med en base i midtlinjen og de ​​to andre på ± 10 grader (dvs. , til høyre og venstre).

Figur 1. Saccadometer. Hodet montert saccadometer festet til en strikk og hviler på neseryggen. Fire miniatyr lasere prosjektet visuelle måls på en matt overflate, og deltakerens øyebevegelser er målt ved differensial infrarøde refleksjon transdusere på nese siden av hvert øye. Som laser mål flytte med hodet, hodestøtter er ikke nødvendig. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Protocol

Den lokale etiske komiteen godkjent denne studien og informert samtykke ble innhentet fra deltakerne som beskrevet nedenfor i punkt 1. 1. Deltaker Samtykke Gi deltakerne et informasjonsark som forklarer i detalj hva testøkt vil omfatte. Etter at deltakerne har mulighet til å lese og diskutere eventuelle spørsmål, bekymringer eller andre forhold knyttet til deres tar del i studien, gå gjennom samtykkeskjema med dem, forklarer hvert punkt på samtykkeskjema og gi dem …

Representative Results

Figur 3 viser et eksempel på rykke-øye bevegelsesbaner, fra en Parkinsons sykdom pasient med en nucleus subthalamicus DBS-systemet implantert. De to grafene plotte pasientens prosaccades med stimulatoren systemet slått av (øvre graf) og slått på (nedre graf). Hver trase på grafene viser banen til en enkelt saccade, dvs. hvor øyets posisjon i grader vekk fra midtlinjen (y-aksen) varierer som en funksjon av tid (x-aksen). Både venstrerettet og høyre rykn…

Discussion

Den mest kritiske faktoren i å skaffe god kvalitet rykningsamplituden data er å sikre at instruksene til deltakeren er klare og presise. For eksempel, hvis instruksjonene for antisaccadic oppgave er ikke helt klart, er deltakeren sannsynlig å utføre prosaccades stedet. Opptak kan også være bortskjemt hvis deltakeren ikke kan tydelig se stimuli eller saccadometer kan ikke nøyaktig måle øye posisjon. Således hvis dataene ser ut til å være av lav kvalitet eksperimentator bør sjekke at lys fra omgivelsene ikke …

Materials

Saccadometer device ( Ober Consulting Poland)

Computer with Windows environment

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