Använda Saccadometry med Deep Brain Stimulation till Normal och Patologisk hjärnfunktion

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

Under senare år har det funnits ett ökande intresse för användning av mätningar av reaktionstider som ett kvantitativt och icke-invasiv sätt att få information om de mekanismer på hög nivå av neural beslutsfattande ^1. En typ av reaktionstiden som har studerats ingående är den tid det tar att starta en saccade mot uppvisande av en visuell stimulans, kallad snabba ryckiga latens. Saccades är snabba ögonrörelser som uppstår när vi snabbt flytta blicken från en plats till en annan. De är den vanligaste typen av ögonrörelser vi gör, som inträffar vid en frekvens av typiskt två eller tre per sekund. Varje saccade är i själva verket ett beslut om att titta på en kö i den visuella världen i stället för en annan ^två.

De nervbanor som kontrollerar ögonrörelser har studerats ingående och är ganska väl dokumenterade ^3. Använda känslig elektronisk utrustning, kan aspekter av oculomotor funktion vara exakt och objectively kvantifieras. Detta underlättar detaljerad studie av rörelser ögat själva utan också gör att de kan användas som ett verktyg för att undersöka andra områden av neurofysiologi och patofysiologi.

rörelse öga mätning kan ge värdefull information om sjukdomstillstånd. Sackadiska ögonrörelser har nyligen till exempel fått mycket uppmärksamhet som potentiella biomarkörer i neurodegenerativa sjukdomar inklusive Huntingtons ^4,5 och Parkinsons sjukdomar ^6,7, och det är väl etablerat att sackadiska reaktionstider tenderar att vara långsammare än normalt under dessa förhållanden. Potentiella användningsområdena för snabba ryckiga mätning omfattar stöd till diagnos och spårning sjukdom. Sackadiska uppgifter sträcker sig från enkla prosaccade (ser så snabbt som möjligt mot en plötsligt uppträder visuell stimulans åt vänster eller höger) till mer komplexa uppgifter såsom antisaccade (ser så snabbt som möjligt till den motsatta sidan till en visuell stimulus) eller minne- guidad saccade (sermot ihåg platsen för ett mål som inte längre finns).

Djup hjärnstimulering är en effektiv behandling för flera neurologiska tillstånd. Det är oftast används för att behandla motoriska symtomen vid Parkinsons sjukdom, inklusive tremor, stelhet, bradykinesi och dyskinesi. Det är också användas för andra rörelsestörningar inklusive dystoni och essentiell tremor, och mindre vanligt för neuropatisk smärta, epilepsi, och psykiatriska tillstånd, såsom tvångssyndrom. Det är den enda miljö där forskare har direkt elektrisk tillgång till djupa strukturer i den mänskliga hjärnan in vivo och erbjuder därmed en värdefull möjlighet för experimentell neurologi. En mängd olika mål stimuleras beroende på det tillstånd som behandlas, däribland flera platser i de basala ganglierna, av vilka många är involverade i oculomotor vägar. Detta innebär att ett stort antal studier kan utföras med hjälp av DBS-systemet för att leverera stimuleringtill en given hjärn plats och en eye tracking enhet för att registrera och analysera dess effekter. Beroende på den experimentella paradigm, kan sådana studier ge information om fysiologin hos den region som stimuleras, effekterna av sjukdomen, eller den mekanism med vilken DBS arbetar i just inställningen. Den här artikeln beskriver en allmän riktlinje för snabba ryckiga ögonrörelser testning i Deep Brain Stimulation patienter.

Flera olika typer av ögonspårning material finns tillgängliga. För den forskning som beskrivs i detta protokoll en bärbar saccadometer användes för att spela in horisontella sackadiska ögonrörelser. Bärbara saccadometers har fördelen att inte kräva nackstöd (se figur 1), vilket innebär att sessioner är mer bekväm för patienter med Parkinsons sjukdom, särskilt för dem som lider med svår dyskinesi. Den saccadometer används här är lätt och ca 5 cm bred och 10 cm lång. Den saccadometer measures ögonrörelser genom användning av direkt infraröd oculography: en infraröd källa och sensor placerad framför den mediala ögonvrå använda ljus som reflekteras från hornhinnan för att fastställa rotationsläget av ögongloben på millisekundintervaller. För att få god kvalitetsdata för analys saccadometer bör provet med en hastighet av minst 1 kHz med åtminstone en 12 bitars upplösning. I saccadometer som används här var de visuella stimuli tre röda 13 cd ^m-2 fläckar av ljus som produceras av inbyggd låg effekt lasrar, varje fläck subtending vissa 0,1 grader, med en fläck i mittlinjen och de andra två vid ± 10 grader (dvs. , till höger och vänster).

Figur 1. Saccadometer. Huvudmonterade saccadometer fäst vid ett elastiskt band och vilar på näsryggen. Fyra miniatyr lasrar projicerar visuella måls på en matt yta, och deltagarens ögonrörelser mäts genom differential infraröd reflektans omvandlare på den nasala sidan av varje öga. Som laser mål rör sig med huvudet, nackskydd krävs inte. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Protocol

Den lokala etiska kommittén godkänt denna studie och informerade samtyckt erhölls från deltagarna som beskrivs nedan i avsnitt 1. 1. Deltagare Medgivande Ge deltagarna ett informationsblad som förklarar i detalj vad testsessionen kommer att innehålla. Efter att deltagarna har möjlighet att läsa och diskutera eventuella frågor, funderingar eller andra frågor som rör de kan delta i studien, gå igenom medgivande med dem, förklarar varje punkt på medgivande och…

Representative Results

Figur 3 visar ett exempel på sackadiska ögonrörelser banor, från en patienten med Parkinsons sjukdom med en nucleus subthalamicus DBS-system implanteras. De två grafer rita patientens prosaccades med stimulatorn systemet avstängd (övre grafen) och påslagen (nedre diagrammet). Varje spår på graferna visar banan för en enskild saccade, dvs hur ögat läget i grader bort från mittlinjen (y-axel) varierar som en funktion av tiden (x-axeln). Både åt vä…

Discussion

Den mest kritiska faktorn i att få god kvalitet snabba ryckiga uppgifter är att se till att de instruktioner som ges till deltagaren är klara och precisa. Till exempel, om instruktionerna för antisaccadic uppgift är inte helt klart, kommer sannolikt att utföra prosaccades istället deltagaren. Inspelningar kan också vara ogiltiga om deltagaren inte tydligt kan se de stimuli eller saccadometer kan inte exakt mäta ögonläge. Således om uppgifterna verkar vara av låg kvalitet försöks bör kontrollera att det o…

Materials

Saccadometer device ( Ober Consulting Poland)

Computer with Windows environment

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