मनुष्यों में संयुक्त इनवेसिव subcortical और संज्ञानात्मक के आकलन के लिए गैर इनवेसिव भूतल neurophysiological रिकॉर्डिंग और भावनात्मक कार्य
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
मानव मस्तिष्क की व्यवस्था के बारे में महत्वपूर्ण जानकारी निकालने के लिए गैर इनवेसिव electroencephalography (ईईजी), चुंबक encephalography (एमईजी) और कार्यात्मक चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (fMRI) को लागू करने में सफलता के बावजूद, इस तरह के तरीकों के बारे में शारीरिक जानकारी प्रदान करने के लिए अपर्याप्त रहने प्रक्रियाओं subcortical स्तर पर संज्ञानात्मक और भावनात्मक कार्यों को दर्शाती है। इस संबंध में, ऐसी गहरी मस्तिष्क उत्तेजना (डीबीएस) के रूप में मानव में आधुनिक आक्रामक नैदानिक दृष्टिकोण, subcortical मस्तिष्क की गतिविधियों, अर्थात् स्थानीय क्षेत्र क्षमता (LFPs) स्थानीय बेसल ganglia या thalamic क्षेत्रों से तंत्रिका विधानसभाओं के सुसंगत गतिविधि का प्रतिनिधित्व रिकॉर्ड करने के लिए एक जबरदस्त संभावना की पेशकश । तथ्य यह है कि मानव में आक्रामक दृष्टिकोण केवल चिकित्सा संकेत के बाद लागू कर रहे हैं और इस प्रकार दर्ज आंकड़ों बदल मस्तिष्क सर्किट के अनुरूप होते हुए भी, बहुमूल्य अंतर्दृष्टि मस्तिष्क oscillatory के संबंध में बरकरार मस्तिष्क कार्यों की उपस्थिति के बारे में प्राप्त की जा सकती हैगतिविधि और प्रयोगात्मक संज्ञानात्मक मानदंड के जवाब में विकारों के pathophysiology। इस दिशा में, पार्किंसंस रोग (पीडी) के साथ रोगियों में डीबीएस के अध्ययन की बढ़ती संख्या न केवल मोटर कार्यों बल्कि ऐसी भावनाओं, निर्णय लेने, ध्यान, स्मृति और संवेदी धारणा के रूप में उच्च स्तर की प्रक्रियाओं को लक्षित। हाल ही में क्लिनिकल परीक्षण भी जुनूनी बाध्यकारी विकार (ओसीडी) चेतना (डॉक्टर) की पुरानी बीमारियों से लेकर neuropsychiatric विकारों में एक वैकल्पिक उपचार के रूप में डीबीएस की भूमिका पर जोर। नतीजतन, हम (संज्ञानात्मक और भावनात्मक प्रसंस्करण गर्त प्रयोगात्मक मानदंड में cortical-subcortical संरचनाओं की भूमिका का आकलन करने में संयुक्त आक्रामक (LFP) और गैर इनवेसिव (ईईजी) मानव मस्तिष्क रिकॉर्डिंग के उपयोग पर ध्यान केंद्रित करने जैसे। भावनात्मक अर्थ या मानदंड के साथ भाषण उत्तेजनाओं डीबीएस उपचार के दौर से गुजर रोगियों के लिए गढ़ कार्य के रूप में इस तरह के संज्ञानात्मक नियंत्रण), के।
Introduction
मानव में आक्रामक neurophysiological रिकॉर्डिंग मिर्गी सर्जरी और ट्यूमर अनुसंधान के दौरान 1 cortical क्षेत्रों से electrocorticographic रिकॉर्डिंग और सेरिबैलम को निशाना मौलिक अध्ययन के लिए वापस की तारीख। ऐसी रिकॉर्डिंग प्रक्रिया के आगे विकास में एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर स्टीरियोटैक्टिक तकनीक है कि मानव मस्तिष्क 2 की गहरी संरचनाओं के लिए सुरक्षित और कुशल पहुँच प्रदान करता है की शुरूआत की गई है। चिकित्सीय उपचार के अलावा, मानव में मस्तिष्क आक्रामक दृष्टिकोण (बाहरी उत्तेजनाओं, विशेष रूप से गहरी मस्तिष्क उत्तेजना के दौर से गुजर रोगियों में अंतर और पोस्ट ऑपरेटिव आक्रामक रिकॉर्डिंग के मामले द्वारा संग्राहक दर्ज की गतिविधि पैटर्न के संबंध में मस्तिष्क समारोह का अध्ययन करने के लिए डीबीएस बल्कि एक अनूठा अवसर प्रदान ) प्रक्रियाओं। प्रयोज्यता और डीबीएस की उपयोगिता पार्किंसंस रोग (पीडी) से विभिन्न तंत्रिका विज्ञान और तंत्रिका-मनोविकार रोगों में संबोधित किया गया है बाध्यकारी विकार (ओसीडी) या Chro जैसी स्थितियों को जुनूनीचेतना (डॉक्टर) की एनआईसी विकारों।
विशेष रूप से, डीबीएस पार्किंसंस रोग 3,4,5, आवश्यक कंपन 6, प्राथमिक / सामान्यीकृत कमानी dystonia 7,8,9, हंटिंग्टन रोग 10,11, उपचार प्रतिरोधी अवसाद 12,13, निकोटीन के उपचार में लागू किया गया है और शराब की लत 14, अल्जाइमर रोग 15,16, Tourette है सिंड्रोम 17 और चेतना (डॉक्टर) की पुरानी विकार 18,19,20।
neuropsychiatry के दायरे के भीतर, डीबीएस जुनूनी बाध्यकारी विकार (ओसीडी) आंतरिक कैप्सूल (ALIC) के पूर्वकाल अंग को निशाना बनाने के लिए एक अनुमोदित / सीई-चिह्नित उपचार है और (वीसी / उपयोग उदर कैप्सूल / उदर स्ट्रिएटम / उदर पूंछवाला लक्षित करने में है वी एस), नाभिक accumbens (एनएसी) और सबथैलेमिक नाभिक (एसटीएन) 21। ओसीडी 22 में डीबीएस के बारे में, हाल के अध्ययनों से बाध्यकारी जांच के तंत्र में एसटीएन की भूमिका पर जोरस्मृति के आधार-मानदंड 23,24,25 के उपयोग के द्वारा हैैं।
उल्लेखनीय है, संज्ञानात्मक और भावनात्मक अर्थ के साथ मानदंड के प्रभाव में मस्तिष्क की गतिविधियों के मॉडुलन डॉक्टर 26,27,28,29 में बल दिया गया है। इस प्रकार, डीबीएस प्रकाश डाला है न केवल पुरानी डॉक्टर के लिए एक संभावित उपचार के रूप में, लेकिन यह भी एक नैदानिक प्रक्रिया केंद्रीय thalamic क्षेत्रों अंतर और बाद से स्थानीय क्षेत्र क्षमता (LFP) रिकॉर्डिंग से subcortical गतिविधि के मॉडुलन अध्ययन करने की संभावना को खोलता है कि के रूप में ऑपरेशन।
डीबीएस में, इलेक्ट्रोड के न्यूरोसर्जिकल आरोपण, स्टीरियोटैक्टिक तकनीक है कि सुरक्षित रूप से मस्तिष्क संरचनात्मक बाधाओं के लिए खातों पर आधारित है, जबकि मरीज की उत्तेजना इंट्रा-ऑपरेटिव आवेग उत्तेजना परीक्षण के माध्यम से अनुकूलित किया जाता है। पोस्ट ऑपरेटिव LFP रिकॉर्डिंग डीबीएस इलेक्ट्रोड की प्रारंभिक आरोपण के बाद और आवेग जनरेटर के internalization से पहले संभव है। विशेष रूप से, वर्तमान प्रोटोकॉल centere हैपोस्ट ऑपरेटिव रिकॉर्डिंग पर घ।
LFPs साथ संयोजन में, cortical मस्तिष्क की गतिविधियों के साथ रिकॉर्डिंग के गैर इनवेसिव electroencephalography (ईईजी) या magnetoencephalography (एमईजी) 30,31 द्वारा उदाहरण के लिए प्राप्त किया जा सकता है। इन दो गैर-आक्रामक तरीके से अपनी उत्कृष्ट समय संकल्प के कारण समर्थन कर रहे हैं। जबकि एमईजी खोपड़ी प्रभाव 32 से ईईजी से कम प्रभावित है, ईईजी लाभप्रद प्रतीत होता है क्योंकि यह कम धातु प्रत्यारोपण और सिर आंदोलनों की वजह से कलाकृतियों से प्रभावित है और यह रोगी के बिस्तर साइड 33 पर इस्तेमाल किया जा सकता है। लागू किया भावनात्मक संज्ञानात्मक मानदंड के जवाब में cortical-subcortical मस्तिष्क गतिविधि (LFP और ईईजी / एमईजी) के साथ रिकॉर्डिंग करके, मस्तिष्क दोलनों और व्यवहार के बीच संबंधों को अलग अलग समय आवृत्ति युग्मन के आधार पर स्थापित किया जा सकता है 34 का विश्लेषण करती है। बदले में, इस तरह के पैटर्न एक मरीज की व्यक्तिगत संज्ञानात्मक के भावी बायोमार्कर और भावनात्मक राज्यों और ओ करने के लिए ले जा सकता हैव्यक्तिगत सेटिंग्स पर विचार उपचार मापदंडों के ptimization।
निम्नलिखित प्रोटोकॉल आक्रामक और संज्ञानात्मक और भावनात्मक समारोह के आकलन के लिए मानव में गैर इनवेसिव neurophysiological रिकॉर्डिंग लक्ष्य, विशेष रूप से cortical और subcortical स्तर पर (ईईजी और LFPs)।
सबसे पहले, neurophysiological वीडियो रिकॉर्डिंग, कि वर्तमान प्रोटोकॉल के साथ जुडा में सचित्र कदम, आंदोलन विकार है कि तथाकथित गढ़ कार्य करता है (उदाहरण 1) के साथ एक उदाहरण के रोगी के साथ एक रिकॉर्डिंग के अनुरूप हैं।
दूसरा, प्रोटोकॉल में कदम पुरानी डॉक्टर 26 में प्रकाशित एक डीबीएस उदाहरण से लिया विश्लेषण और नमूना परिणाम (उदाहरण 2) की कार्यप्रणाली पर ध्यान केंद्रित करके चर्चा कर रहे हैं।
ये दो उदाहरण विभिन्न विकारों और विभिन्न प्रयोगात्मक मानदंड के साथ डीबीएस इलाज के रोगियों के लिए प्रस्तावित प्रोटोकॉल की प्रयोज्यता पर प्रकाश डाला।
Protocol
Representative Results
Discussion
खोपड़ी-ईईजी और एमईजी की तरह गैर इनवेसिव मस्तिष्क रिकॉर्डिंग तकनीकों के विपरीत, प्रस्तावित संयुक्त आक्रामक और गैर इनवेसिव neurophysiological रिकॉर्डिंग ढांचे संज्ञानात्मक भावनात्मक कार्यों के संबंध में cortical और …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम के काल-नेट न्यूरॉन / BMBF जर्मनी (Tymon) द्वारा समर्थित किया गया। प्रकाशन फीस विश्वविद्यालय अस्पताल डसेलडोर्फ से अनुदान द्वारा कवर कर रहे हैं। यहां इस्तेमाल गढ़ कार्य प्रो सी सर्वश्रेष्ठ द्वारा शुरू में प्रोग्राम किया संस्करण और उनके समूह के 47 से संशोधित किया गया था।
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).
