Combiné Fonctions envahissantes et sous-corticales Surface non-invasive neurophysiologique Enregistrements pour l'évaluation des fonctions cognitives et émotionnelles chez les humains
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
En dépit du succès dans l'application de l'électroencéphalographie non-invasive (EEG), magnéto-encéphalographie (MEG) et l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) pour extraire des informations cruciales sur le mécanisme du cerveau humain, ces méthodes restent insuffisantes pour fournir des informations sur physiologique processus reflétant les fonctions cognitives et émotionnelles au niveau sous-cortical. À cet égard, les approches cliniques invasives modernes chez les humains, comme la stimulation cérébrale profonde (DBS), offrent une formidable possibilité d'enregistrer l'activité cérébrale sous-corticale, les potentiels de champ à savoir locaux (LFP) représentant l'activité cohérente des ensembles de neurones de ganglions de la base localisée ou régions thalamiques . Nonobstant le fait que les approches invasives chez l'homme sont appliqués seulement après indication médicale et les données ainsi enregistrées correspondent aux circuits cérébraux modifiés, des informations précieuses peut être acquise en ce qui concerne la présence de fonctions cérébrales intactes par rapport au cerveau oscillatoireactivité et la physiopathologie des troubles en réponse à des paradigmes cognitifs expérimentaux. Dans ce sens, un nombre croissant d'études DBS chez les patients atteints de la maladie de Parkinson (PD) cible non seulement les fonctions motrices, mais aussi les processus de haut niveau tels que les émotions, la prise de décision, l'attention, la mémoire et la perception sensorielle. Des essais cliniques récents soulignent également le rôle de la DBS comme un traitement alternatif dans les troubles neuropsychiatriques allant de trouble obsessionnel compulsif (TOC) à des troubles chroniques de la conscience (DOC). Par conséquent, nous nous concentrons sur l'utilisation de (EEG) combinés du cerveau humain envahissantes (PDD) et non-invasives pour évaluer le rôle des structures corticales-corticale dans le traitement creux paradigmes expérimentaux cognitifs et émotionnels (par exemple. Stimuli vocaux à connotation émotionnelle ou paradigmes du contrôle cognitif, comme la tâche Flanker), pour les patients subissant un traitement DBS.
Introduction
Enregistrements neurophysiologiques invasives chez les humains remontent à des études séminales ciblant les enregistrements électrocorticographiques des zones corticales et le cervelet lors de la chirurgie de l' épilepsie et de la recherche de la tumeur 1. Une étape importante dans la poursuite du développement de cette procédure d'enregistrement a été l'introduction de la technique stéréotaxique qui fournit un accès sûr et efficace aux structures profondes du cerveau humain 2. Outre le traitement clinique, le cerveau des approches invasives chez les humains offrent une occasion assez unique pour étudier le fonctionnement du cerveau en relation avec les modèles d'activité enregistrés modulés par des stimuli externes, notamment le cas des enregistrements invasifs intra- et post-opératoires chez les patients subissant une stimulation cérébrale profonde (DBS ) procédures. L'applicabilité et l'utilité de DBS a été abordée dans diverses maladies neurologiques et neuropsychiatriques de la maladie de Parkinson (PD) pour trouble obsessionnel compulsif (TOC) ou dans des conditions telles que chrotroubles de la conscience nic (DOC).
En particulier, DBS a été appliquée dans le traitement de la maladie de Parkinson 3,4,5, le tremblement essentiel 6, dystonie primaire généralisée segmentaire / 7,8,9, la maladie de Huntington 10,11, le traitement résistant à la dépression 12,13, la nicotine et l' alcool 14, la maladie d'Alzheimer , 15,16, le syndrome de Gilles de la Tourette 17 et un trouble de la conscience chronique (MDC) 18,19,20.
Dans le cadre de la neuropsychiatrie, DBS est un traitement approuvé / marquage CE pour le trouble obsessionnel compulsif (TOC) ciblant le membre antérieur de la capsule interne (ALIC) et est en cours d'utilisation ciblant la capsule / ventral striatum / caudé ventrale ventrale (VC / VS), noyau accumbens (Nac) et le noyau subthalamique (STN) 21. En ce qui concerne DBS dans OCD 22, des études récentes mettent l' accent sur le rôle des STN dans le mécanisme de contrôle compulsiftion en utilisant la mémoire-paradigmes basés 23,24,25.
Il convient de noter, la modulation de l' activité du cerveau sous l'influence de paradigmes à connotation cognitive et émotionnelle a été soulignée dans DOC 26,27,28,29. Ainsi, DBS est mise en évidence, non seulement en tant que traitement potentiel pour le DOC chronique, mais aussi comme une procédure clinique qui ouvre la possibilité d'étudier la modulation de l'activité corticale en enregistrant les potentiels de champ local (LFP) de régions intra et post-thalamiques centraux fonctionnellement.
DBS, l'implantation neurochirurgicale d'électrodes est basée sur la technique stéréotaxique qui explique sans danger pour le cerveau des contraintes anatomiques, tandis que la stimulation du patient est adapté grâce à des tests d'impulsion de stimulation intra-opératoire. enregistrement LFP post-opératoire est possible après l'implantation initiale des électrodes DBS et avant intériorisation du générateur d'impulsions. En particulier, le présent protocole est centered sur les enregistrements post-opératoires.
En combinaison avec LFPs, l' enregistrement simultané de l' activité cérébrale corticale peut être réalisé par exemple en électroencéphalographie non-invasive (EEG) ou la magnétoencéphalographie (MEG) 30,31. Ces deux méthodes non-invasives sont pris en charge en raison de son excellente résolution temporelle. Alors que MEG est moins touché que l' EEG par les effets du crâne 32, EEG apparaît avantageuse car elle est moins affectée par les artefacts causés par des implants métalliques et des mouvements de la tête et il peut être utilisé au chevet du patient 33. Par l' enregistrement simultané de l' activité cérébrale corticale-corticale (PDD et EEG / MEG) en réponse à des paradigmes émotionnels-cognitive appliqués, les différentes relations entre les oscillations et le comportement du cerveau pourraient être établies sur la base du couplage temps-fréquence des analyses 34. À son tour, ces modèles pourraient conduire à des biomarqueurs potentiels de cognitive individualisée d'un patient et des états émotionnels et optimization des paramètres de traitement tenant compte des paramètres personnalisés.
Les objectifs suivants du protocole invasifs et d'enregistrement neurophysiologique non-invasive chez l'homme pour l'évaluation de la fonction cognitive et émotionnelle, en particulier au niveau cortical et sous-corticale (EEG et LFPS).
Tout d'abord, les étapes d'enregistrement neurophysiologiques illustrées dans la vidéo, qui accompagne le présent protocole, correspondent à un enregistrement à l'aide, par exemple, des patients avec des troubles du mouvement qui exécute la tâche que l'on appelle Flanker (exemple 1).
Deuxièmement, les étapes du protocole sont discutées en mettant l' accent sur la méthodologie des résultats des analyses et des exemples tirés d'un exemple DBS publiée dans DOC chronique 26 (exemple 2).
Ces deux exemples mettent en évidence l'applicabilité du protocole proposé aux patients DBS traités avec différents troubles et divers paradigmes expérimentaux.
Protocol
Representative Results
Discussion
Contrairement aux techniques d'enregistrement du cerveau non-invasives comme le cuir chevelu-EEG et MEG, le cadre proposé combinée invasive et non invasive d'enregistrement neurophysiologique offre une occasion remarquable pour extraire des informations à partir des zones corticales et sous-corticales par rapport aux tâches cognitives-affectives. Ces informations se traduit par une activité oscillatoire du cerveau à de multiples bandes de fréquences et différents niveaux d'organisation en relation av…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par ERA-NET NEURON / BMBF Allemagne (Tymon). frais de publication sont couverts par une subvention de l'hôpital universitaire de Düsseldorf. La tâche Flanker utilisée ici a été modifié à partir de la version initialement programmée par le professeur C. Beste et son groupe 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 |
Referências
- Foerster, O., Altenburger, H. Elektrobiologische Vorgänge an der menschlichen Hirnrinde. Dtsch. Zschr. Nervenheilk. 135, 277-288 (1934).
- Spiegel, E. A., Wycis, H. T., Marks, M., Lee, A. J. Stereotaxic apparatus for operations on the human brain. Science. 106, 349-350 (1947).
- Okun, M. S. Deep-Brain Stimulation for Parkinson’s disease. N. Engl. J. Med. 367, 1529-1538 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- Volkmann, J., Benecke, R. Deep brain stimulation for dystonia: patient selection and evaluation [Review]. Mov. Disord. 17 (3), 112-115 (2002).
- Hu, W., Stead, M. Deep brain stimulation for dystonia. Transl. Neurodegener. 21 (3(1)), (2014).
- 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).
- Huys, D., et al. Management and outcome of pallidal deep brain stimulation in severe Huntington’s disease. Fortschr. Neurol. Psychiatry. 81, 202-205 (2013).
- Hartmann, C. J., Groiss, S. J., Vesper, J., Schnitzler, A., Wojtecki, L. Brain Stimulation in Huntington’s disease. Neurodegener. Dis. Manag. , (2016).
- 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).
- 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).
- Luigjes, J., et al. Deep brain stimulation in addiction: a review of potential brain targets. Mol. Psychiatry. 17, 572-583 (2012).
- 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).
- Laxton, A. W., Stone, S., Lozano, A. M. The Neurosurgical Treatment of Alzheimer’s Disease: A Review. Stereotact. Funct. Neurosurg. 92, 269-281 (2014).
- Schrock, L. E., et al. Tourette syndrome deep brain stimulation: A review and updated recommendations. Mov. Disord. 30 (4), 448-471 (2015).
- Schiff, N. D., et al. Behavioral improvements with thalamic stimulation after severe traumatic brain injury. Nature. 448, 600-603 (2007).
- Yamamoto, T., Katayama, Y. Deep brain stimulation therapy for the vegetative state. Neuropsychol. Rehabil. 15, 406-413 (2005).
- 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).
- Lipsman, N., Giacobbe, P., Lozano, A. M. Deep brain stimulation in obsessive-compulsive disorder: neurocircuitry and clinical. Handb. Clin. Neurol. 116, 245-250 (2013).
- 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).
- 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).
- Clair, A. H., et al. Excessive checking for non-anxiogenic stimuli in obsessive-compulsive disorder. Eur. Psychiatry. 28 (8), 507-513 (2013).
- 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).
- Wojtecki, L., et al. Modulation of central thalamic oscillations during emotional-cognitive processing in chronic disorder of consciousness. Cortex. 60, 94-102 (2014).
- Menon, D. K., et al. Cortical processing in persistent vegetative state, Wolfson Brain Imaging Centre Team. Lancet. 352 (200), (1998).
- Monti, M. M., et al. Willful modulation of brain activity in disorders of consciousness. New. Engl. J. Med. 362, 579e589 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- Okada, Y., Lähteenmäki, A., Xu, C. Experimental analysis of distortion of magnetoencephalography signals by the skull. Clin. Neurophysiol. 110, 230-238 (1999).
- 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).
- Gross, J. Analytical methods and experimental approaches for electrophysiological studies of brain oscillations. J. Neurosci. Methods. 228, 57-66 (2014).
- 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).
- Mai, K. M., Assheuer, J. K., Paxinos, G. . Atlas of the human brain (2nd edition). , (2004).
- 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).
- 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).
- Maris, E., Oostenveld, R. Non-parametric statistical testing of EEG- and MEG-data. J. Neurosci. Methods. 164, 177-190 (2007).
- 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).
- Maris, E., Schoffelen, J. M., Fries, P. Nonparametric statistical testing of coherence differences. J. Neurosci. Methods. 163, 161-175 (2007).
- 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).
- Ozkurt, T. E., Schnitzler, A. A critical note on the definition of phase-amplitude cross-frequency coupling. J. Neurosci. Methods. 201, 438-443 (2011).
- Schutter, D. J., Knyazev, G. G. Cross-frequency coupling of brain oscillations in studying motivation and emotion. Motiv. Emot. 36 (1), 46-54 (2012).
- Palva, J. M., Palva, S., Kaila, K. Phase synchrony among neuronal oscillations in the human cortex. J. Neurosci. 25 (15), 3962-3972 (2005).
- 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).
- 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).
