JoVE Journal > Behavior
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Tadução automática
Comportamento

Kombinerede Invasive subcortical og Non-invasiv Surface neurofysiologisk Optagelser til vurdering af kognitive og emotionelle funktioner i mennesker

Published: May 19, 2016
doi:
10.3791/53466
, , , , , , ,
1Institute of Clinical Neuroscience and Medical Psychology,Medical Faculty, Heinrich-Heine-University, 2Department of Neurology, Center for Movement Disorders and Neuromodulation,University Clinic Düsseldorf, 3Department of Neurosurgery, Functional Neurosurgery and Stereotaxy, Center for Movement Disorders and Neuromodulation,University Clinic Düsseldorf

Summary

The present protocol aims at assessing cognitive-emotional functions in the basal ganglia by simultaneous neurophysiological recording of local field potentials and non-invasive brain cortical activity (EEG). The procedure is exemplified by the use of paradigms involving speech stimuli with emotional connotation or the Flanker task involving cognitive control.

Abstract

På trods af succesen med at anvende ikke-invasiv electroencefalografi (EEG), magneto-encephalography (MEG) og funktionel magnetisk resonans (fMRI) til at udtrække vigtige oplysninger om den mekanisme af den menneskelige hjerne, sådanne metoder er utilstrækkelige til at give oplysninger om fysiologiske processer afspejler kognitive og følelsesmæssige funktioner på subcortical niveau. I denne henseende, moderne invasive kliniske tilgange i mennesker, såsom dyb brain stimulation (DBS), tilbyder en enorm mulighed for at registrere subkortikal hjerneaktivitet, nemlig lokale felt potentialer (storformatprintere), som repræsenterer sammenhængende aktivitet af neurale samlinger fra lokaliseret basalganglierne eller thalamiske regioner . Uanset at invasive metoder i mennesker er kun anvendes efter lægelig indikation og dermed registrerede data svarer til ændrede hjernens kredsløb, kan værdifuld indsigt opnås med hensyn til tilstedeværelsen af ​​intakte hjernefunktioner i forhold til hjernen oscillerendeaktivitet og patofysiologien af ​​lidelser som reaktion på eksperimentelle kognitive paradigmer. I denne retning, et stigende antal DBS studier hos patienter med Parkinsons sygdom (PD) målrette ikke kun motoriske funktioner, men også højere niveau processer såsom følelser, beslutningstagning, opmærksomhed, hukommelse og sansning. Nylige kliniske forsøg understreger også betydningen af ​​DBS som en alternativ behandling i neuropsykiatriske lidelser lige fra obsessiv-kompulsiv sygdom (OCD) til kroniske lidelser af bevidsthed (DOC). Derfor har vi fokus på brugen af kombinerede invasive (LFP) og ikke-invasive (EEG) menneskelige hjerne optagelser vurdere rollen som kortikale-subkortikale strukturer i kognitive og emotionelle behandling trough eksperimentelle paradigmer (fx. Tale stimuli med følelsesmæssige konnotation eller paradigmer af kognitiv kontrol såsom Flanker opgave), for patienter DBS behandling.

Introduction

Invasive neurofysiologiske optagelser i mennesker tilbage til skelsættende studier rettet electrocorticographic optagelser fra kortikale områder og lillehjernen under epilepsi kirurgi og tumor forskning 1. En kritisk milepæl i den videre udvikling af en sådan procedure optagelsen har været indførelsen af stereotaktisk teknik, der giver sikker og effektiv adgang til dybe strukturer i den menneskelige hjerne 2. Bortset fra den kliniske behandling, hjerne invasive metoder hos mennesker giver en temmelig unik mulighed for at studere hjernens funktion i forhold til optagne aktivitet mønstre moduleret af eksterne stimuli, navnlig sagen om intra- og postoperative invasive optagelser i patienter, der gennemgår deep brain stimulation (DBS ) procedurer. Anvendeligheden og nytten af ​​DBS er blevet behandlet i forskellige neurologiske og neuropsykiatriske sygdomme af Parkinsons sygdom (PD) til obsessiv-kompulsiv tilstand (OCD) eller tilstande som CHROnic forstyrrelser af bevidsthed (DOC).

Især er DBS blevet anvendt i behandlingen af Parkinsons sygdom 3,4,5, essentiel tremor 6, primær / generaliseret segmentær dystoni 7,8,9, Huntingtons sygdom 10,11, behandlingsresistente-depression 12,13, nikotin og alkoholafhængighed 14, Alzheimers sygdom 15,16, Tourettes syndrom 17 og kronisk lidelse af bevidsthed (DOC) 18,19,20.

Inden for omfanget af neuropsykiatri, DBS er en godkendt / CE-mærket behandling for obsessiv-kompulsiv tilstand (OCD) rettet mod forreste led af det indre kapsel (ALIC) og er i brug målretning den ventrale kapsel / ventral striatum / ventrale spiegelske (VC / VS), nucleus accumbens (NAC) og nucleus subthalamicus (STN) 21. Med hensyn til DBS i OCD 22, de seneste undersøgelser understreger betydningen af STN i mekanismen for kompulsiv kontroling ved anvendelse hukommelse baseret-paradigmer 23,24,25.

Bemærkelsesværdige, modulering af hjernens aktivitet under indflydelse af paradigmer med kognitive og emotionelle konnotation er blevet understreget i DOC 26,27,28,29. Således er DBS fremhæves ikke kun som en potentiel behandling af kronisk DOC, men også som en klinisk procedure, der åbner op for muligheden for at studere modulation af subkortikal aktivitet ved at optage lokale felt potentialer (LFP) fra centrale thalamiske regioner intra- og post operativt.

I DBS er neurokirurgiske implantation af elektroder baseret på stereotaktisk teknik, der sikkert tegner sig for hjernens anatomiske begrænsninger, mens patientens stimulation er tilpasset gennem intra-operative impuls-stimulation tests. Postoperativ LFP optagelse er mulig efter den første implantation af DBS elektroder og før internalisering af impulsgeneratoren. Især den nuværende protokol er centered på postoperative optagelser.

I kombination med storformatprintere, kan der opnås samtidig optagelse af cortical hjerneaktivitet for eksempel ved ikke-invasiv elektroencefalografi (EEG) eller magnetoencephalography (MEG) 30,31. Disse to ikke-invasive metoder understøttes på grund af dens fremragende tidsopløsning. Mens MEG er mindre påvirket end EEG ved kraniet effekter 32, EEG synes fordelagtig, fordi det er mindre påvirket af artefakter forårsaget af metalliske implantater og hoved bevægelser, og det kan bruges ved patientens seng-side 33. Ved samtidig optagelse af cortical-subkortikale hjerneaktivitet (LFP og EEG / MEG) som svar på anvendt følelsesmæssige-kognitive paradigmer, kunne etableres forskellige relationer mellem hjernens svingninger og adfærd på baggrund af tid-frekvens kobling analyser 34. Til gengæld kan sådanne afstedkommer potentielle biomarkører for en patients individualiserede kognitive og følelsesmæssige tilstande og optimization af behandlingsparametre overvejer individualiserede indstillinger.

Følgende protokollens mål invasive og non-invasive neurofysiologisk optagelse i mennesker til vurdering af kognitive og følelsesmæssige funktion, specielt på det kortikale og subkortikale niveau (EEG og storformatprintere).

Først de neurofysiologiske optagelse viste trin i videoen, der ledsager den nuværende protokol, svarer til en optagelse med et eksempel patient med bevægelse lidelse, der udfører den såkaldte Flanker opgave (eksempel 1).

For det andet, er skridt i den protokol diskuteret ved at fokusere på den metode, analyse og prøveresultater taget fra et offentliggjort DBS eksempel i kronisk DOC 26 (eksempel 2).

Disse to eksempler fremhæver anvendeligheden af ​​den foreslåede protokol til DBS-behandlede patienter med forskellige lidelser og forskellige eksperimentelle paradigmer.

Protocol

Den DBS procedure og invasive optagelser blev godkendt af den etiske Kommissionen Universitetsklinikken Düsseldorf, Tyskland. 1. Eksperimentel Paradigm Design og patientens samtykke BEMÆRK: Design en eksperimentel paradigme eller vælg en eksisterende eksperimentel paradigme til at målrette en kognitiv / emotionelle aspekt af interesse. Vælg patienter der vil blive foretaget DBS-behandling. Spørg hvis DBS-Patient opfylder inklusionskriterier under…

Representative Results

For DBS-DOC tilfælde (eksempel 2), vi nu levere data om målet lokalisering for DBS implantation, skematiske diagrammer af LFP elektrode og EEG sat op, eksemplariske optagelser af EEG og LFP-aktivitet (rå data) og repræsentative analyseresultater: Figur 2A viser planlagt bane (sort linje) projiceret på en anatomisk atlas 36, § 30, koronar, 10,7 mm bag den forreste commissure (AC) (rød linje: A…

Discussion

I modsætning til ikke-invasive hjerne optagelse teknikker som hovedbund-EEG og MEG, den foreslåede kombinerede invasive og non-invasive neurofysiologisk rammer optagelse giver en bemærkelsesværdig mulighed for at udtrække oplysninger fra kortikale og subkortikale områder i relation til kognitive-emotionelle opgaver. Sådanne oplysninger reflekteres af hjernens oscillerende aktivitet på flere frekvensbånd og forskellige niveauer af organisationen i forhold til hjernens funktion 44. Brain oscillerende m…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af ERA-NET NEURON / BMBF Tyskland (Tymon). Offentliggørelse gebyrer er omfattet af en bevilling fra University Hospital Düsseldorf. Den Flanker opgave bruges her blev ændret fra det oprindeligt programmerede udgave af Prof. C. Beste og hans gruppe 47.

Materials

BrainAmp Amplifier Brain Products GmbH, Gilching Germany Quantity: 2
BrainVision Recorder Software Brain Products GmbH, Gilching Germany 1 License 
BrainVision Analyzer Software  Brain Products GmbH, Gilching Germany 1 License 
Fiber Optic cables and USB connectors Brain Products GmbH, Gilching Germany These come with the above listed equipment
Electrode Input box (64 channels) Brain Products GmbH, Gilching Germany Quantity: 1
EEG gel  Natus Inc Quantity: 1
Isopropyl alcohol Schülke & Mayr GmbH, Germany Quantity: 1
Skin preparation gel Weaver and Co, USA Quantity: 1
MATLAB   Math-Works, Natick, Massachusetts, USA 1 License
FieldTrip toolbox http://www.fieldtriptoolbox.org/ Open Source
INOMED MER system  INOMED Corp., Emmendingen, Germany Quantity: 1
Macroelectrodes (model 3387 quadripolar DBS lead) Medtronic Inc., Minneapolis, MN, USA Quantity: 2
Sterile percutaneous extension wires (model 3550-05)  Medtronic Inc., Minneapolis, MN, USA Quantity: 2
Twist lock cable (model 3550-03)  Medtronic Inc., Minneapolis, MN, USA Quantity: 2
custom made connectors to DIN 428092 touch proof connectors Quantity: 2
Vercise Lead kit DB -2201  Boston Scientific Quantity: 2
Contact extenion kit NM-3138  Boston Scientific Quantity: 2
O.R. cabel & extension SC-4100 A  Boston Scientific Quantity: 2
connector   to touch proof  Twente Medical Systems International B.V. Quantity: 2
CT scanner Modell PQ2000 (Postoperative CT scans) Philips Healthcare GmbH Hamburg Quantity: 1
Presentation Software (Flanker Task) Neurobehavioral systems Inc. 1 License 
MEG System Elekta Neuromag Inc Alternatively
High-density EEG sensor net (128 or 256 channels) Electrical Geodesics Inc (EGI), USA Alternatively
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referências

  1. Foerster, O., Altenburger, H. Elektrobiologische Vorgänge an der menschlichen Hirnrinde. Dtsch. Zschr. Nervenheilk. 135, 277-288 (1934).
  2. Spiegel, E. A., Wycis, H. T., Marks, M., Lee, A. J. Stereotaxic apparatus for operations on the human brain. Science. 106, 349-350 (1947).
  3. Okun, M. S. Deep-Brain Stimulation for Parkinson’s disease. N. Engl. J. Med. 367, 1529-1538 (2012).
  4. Groiss, S. J., Wojtecki, L., Südmeyer, M., Schnitzler, A. Deep Brain Stimulation in Parkinson’s disease. Ther. Adv. Neurol. Disord. 2 (6), 20-28 (2009).
  5. Kalia, S. K., Sankar, T., Lozano, A. M. Deep brain stimulation for Parkinson’s disease and other movement disorders. Curr. Opin. Neurol. 26 (4), 374-380 (2013).
  6. Della Flora, E., Perera, C. L., Cameron, A. L., Maddern, G. J. Deep brain stimulation for essential tremor: a systematic review. Mov. Disord. 25 (11), 1550-1559 (2010).
  7. Volkmann, J., Benecke, R. Deep brain stimulation for dystonia: patient selection and evaluation [Review]. Mov. Disord. 17 (3), 112-115 (2002).
  8. Hu, W., Stead, M. Deep brain stimulation for dystonia. Transl. Neurodegener. 21 (3(1)), (2014).
  9. Mentzel, C. L., Tenback, D. E., Tijssen, M. A., Visser-Vandewalle, V. E., van Harten, P. N. Efficacy and safety of deep brain stimulation in patients with medication-induced tardive dyskinesia and/or dystonia: a systematic review. J. Clin. Psychiatry. 73 (11), 1434-1438 (2012).
  10. Huys, D., et al. Management and outcome of pallidal deep brain stimulation in severe Huntington’s disease. Fortschr. Neurol. Psychiatry. 81, 202-205 (2013).
  11. Hartmann, C. J., Groiss, S. J., Vesper, J., Schnitzler, A., Wojtecki, L. Brain Stimulation in Huntington’s disease. Neurodegener. Dis. Manag. , (2016).
  12. Morishita, T., Fayad, S. M., Higuchi, M. A., Nestor, K. A., Foote, K. D. Deep brain stimulation for treatment-resistant depression: systematic review of clinical outcomes. Neurotherapeutics. 11 (3), 475-484 (2014).
  13. Lakhan, S. E., Callaway, E. Deep brain stimulation for obsessive-compulsive disorder and treatment-resistant depression: systematic review. BMC Res. Notes. 4 (3), 60 (2010).
  14. Luigjes, J., et al. Deep brain stimulation in addiction: a review of potential brain targets. Mol. Psychiatry. 17, 572-583 (2012).
  15. Hardenacke, K., et al. Deep brain stimulation as a tool for improving cognitive functioning in Alzheimer’s dementia: a systematic review. Front. Psychiatry. 4 (159), (2013).
  16. Laxton, A. W., Stone, S., Lozano, A. M. The Neurosurgical Treatment of Alzheimer’s Disease: A Review. Stereotact. Funct. Neurosurg. 92, 269-281 (2014).
  17. Schrock, L. E., et al. Tourette syndrome deep brain stimulation: A review and updated recommendations. Mov. Disord. 30 (4), 448-471 (2015).
  18. Schiff, N. D., et al. Behavioral improvements with thalamic stimulation after severe traumatic brain injury. Nature. 448, 600-603 (2007).
  19. Yamamoto, T., Katayama, Y. Deep brain stimulation therapy for the vegetative state. Neuropsychol. Rehabil. 15, 406-413 (2005).
  20. Yamamoto, T., Kobayashi, K., Kasai, M., Oshima, H., Fukaya, C., Katayama, Y. DBS therapy for the vegetative state and minimally conscious state. Acta Neurochir. Suppl. 93, 101-104 (2005).
  21. Lipsman, N., Giacobbe, P., Lozano, A. M. Deep brain stimulation in obsessive-compulsive disorder: neurocircuitry and clinical. Handb. Clin. Neurol. 116, 245-250 (2013).
  22. Mallet, L., et al. Stimulation of subterritories of the subthalamic nucleus reveals its role in the integration of the emotional and motor aspects of behavior. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 104 (25), 10661-10666 (2007).
  23. Rotge, J. Y., et al. A challenging task for assessment of checking behaviors in obsessive-compulsive disorder. Acta Psychiatr. Scand. 117 (6), 465-473 (2008).
  24. Clair, A. H., et al. Excessive checking for non-anxiogenic stimuli in obsessive-compulsive disorder. Eur. Psychiatry. 28 (8), 507-513 (2013).
  25. Burbaud, P., et al. Neuronal activity correlated with checking behaviour in the subthalamic nucleus of patients with obsessive-compulsive disorder. Brain. 136, 304-317 (2013).
  26. Wojtecki, L., et al. Modulation of central thalamic oscillations during emotional-cognitive processing in chronic disorder of consciousness. Cortex. 60, 94-102 (2014).
  27. Menon, D. K., et al. Cortical processing in persistent vegetative state, Wolfson Brain Imaging Centre Team. Lancet. 352 (200), (1998).
  28. Monti, M. M., et al. Willful modulation of brain activity in disorders of consciousness. New. Engl. J. Med. 362, 579e589 (2010).
  29. Owen, A. M., Coleman, M. R., Boly, M., Davis, M. H., Laureys, S., Pickard, J. D. Detecting awareness in the vegetative state. Science. 313, 1402 (2006).
  30. Hirschmann, J., et al. A direct relationship between oscillatory subthalamic nucleus-cortex coupling and rest tremor in Parkinson’s disease. Brain. 136, 3659-3670 (2013).
  31. Hirschmann, J., et al. Differential modulation of STN-cortical and cortico-muscular coherence by movement and levodopa in Parkinson’s disease. Neuroimage. 68, 203-213 (2013).
  32. Okada, Y., Lähteenmäki, A., Xu, C. Experimental analysis of distortion of magnetoencephalography signals by the skull. Clin. Neurophysiol. 110, 230-238 (1999).
  33. Vaughan, T. M., McFarland, D. J., Schalk, G. The Wadsworth BCI Research and Development Program: at home with BCI. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 14, 229-233 (2006).
  34. Gross, J. Analytical methods and experimental approaches for electrophysiological studies of brain oscillations. J. Neurosci. Methods. 228, 57-66 (2014).
  35. Pivik, R. T., Broughton, R. J., Coppola, R., Davidson, R. J., Fox, N., Nuwer, M. R. Guidelines for the recording and quantitative analysis of electroencephalographic activity in research contexts. Psychophysiology. 30, 547-558 (1993).
  36. Mai, K. M., Assheuer, J. K., Paxinos, G. . Atlas of the human brain (2nd edition). , (2004).
  37. Yelnik, J., et al. A three-dimensional, histological and deformable atlas of the human basal ganglia. I. Atlas construction based on immunohistochemical and MRI data. NeuroImage. 34, 618-638 (2007).
  38. Bardinet, E., et al. A three-dimensional histological atlas of the human basal ganglia. II. Atlas deformation strategy and evaluation in deep brain stimulation for Parkinson disease. J. Neurosurg. 110, 208-219 (2009).
  39. Maris, E., Oostenveld, R. Non-parametric statistical testing of EEG- and MEG-data. J. Neurosci. Methods. 164, 177-190 (2007).
  40. Halliday, D. M., Rosenberg, J. R., Amjad, A. M., Breeze, P., Conway, B. A., Farmer, S. F. A framework for the analysis of mixed time series/point process data-theory and application to the study of physiological tremor, single motor unit discharges and electromyograms. Prog. Biophys. Mol. Biol. 64, 237-278 (1995).
  41. Maris, E., Schoffelen, J. M., Fries, P. Nonparametric statistical testing of coherence differences. J. Neurosci. Methods. 163, 161-175 (2007).
  42. Nolte, G., Bai, O., Wheaton, L., Mari, Z., Vorbach, S., Hallet, M. Indentifying true brain interaction from EEG data using imaginary part of coherency. Clin. Neurophysiol. 115, 2292-2307 (2004).
  43. Ozkurt, T. E., Schnitzler, A. A critical note on the definition of phase-amplitude cross-frequency coupling. J. Neurosci. Methods. 201, 438-443 (2011).
  44. Schutter, D. J., Knyazev, G. G. Cross-frequency coupling of brain oscillations in studying motivation and emotion. Motiv. Emot. 36 (1), 46-54 (2012).
  45. Palva, J. M., Palva, S., Kaila, K. Phase synchrony among neuronal oscillations in the human cortex. J. Neurosci. 25 (15), 3962-3972 (2005).
  46. Oostenveld, R., Fries, P., Maris, E., Schoffelen, J. M. FieldTrip: open source software for advanced analysis of MEG, EEG, and invasive electrophysiological data. Comput. Intell. Neurosci. 156869, (2011).
  47. Beste, C., Mückschel, M., Elben, S., Hartmann, C. J., McIntyre, C. C., Saft, C., Vesper, J., Schnitzler, A., Wojtecki, L. Behavioral and neurophysiological evidence the enhancement of cognitive control under dorsal pallidal deep brain stimulation in Huntington’s disease. Brain. Struct. Funct. 220, 24441-24448 (2015).

Tags

Invasive Subcortical RecordingsNon-invasive Surface Neurophysiological RecordingsCognitive And Emotional FunctionsHuman NeurophysiologyDeep Brain StimulationFlanker TaskDisorders Of ConsciousnessEEGLFPStimulus Presentation10-20 SystemMEG
check_url/pt/53466?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artigo
Trenado, C., Elben, S., Petri, D., Hirschmann, J., Groiss, S. J., Vesper, J., Schnitzler, A., Wojtecki, L. Combined Invasive Subcortical and Non-invasive Surface Neurophysiological Recordings for the Assessment of Cognitive and Emotional Functions in Humans. J. Vis. Exp. (111), e53466, doi:10.3791/53466 (2016).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image