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Comportamento

認知の評価とヒトにおける感情的な関数の組み合わせ侵襲性皮質下および非侵襲性の面神経生理学レコーディング

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

人間の脳のメカニズムについての重要な情報を抽出するための非侵襲的脳波（EEG）、磁気脳造影（MEG）と機能的磁気共鳴画像法（fMRI）を適用することの成功にもかかわらず、そのような方法は、生理学的な情報を提供するには不十分のままで皮質下レベルでの認知と感情的な機能を反映するプロセス。この点で、このような脳深部刺激（DBS）などのヒトでの近代的な侵襲的な臨床アプローチは、皮質下の脳活動を記録するために多大な可能性を提供し、ローカライズされた大脳基底核や視床の領域から神経アセンブリのコヒーレント活動を表すすなわち局所電場電位（LFPS） 。ヒトにおける侵襲的なアプローチが医療指示の後にのみ適用され、したがって、記録されたデータが変更された脳の回路に対応しているという事実にもかかわらず、貴重な洞察は、脳振動に関して無傷の脳機能の存在に関して得ることができます活動と実験認知パラダイムに応じて、障害の病態生理。この方向では、パーキンソン病（PD）患者におけるDBS研究が増えて運動機能だけでなく、感情、意思決定、注意、記憶や知覚などの、より高いレベルのプロセスだけでなく、ターゲットにしています。最近の臨床試験はまた、強迫性障害（OCD）から意識（DOC）の慢性疾患に至るまで神経精神障害における代替治療としてDBSの役割を強調する。その結果、我々は感情的な意味合いやパラダイムと例えば音声刺激（組み合わせ侵襲（LFP）の使用に焦点を当て、認知と感情的な処理トラフ実験パラダイムにおける皮質-皮質下構造の役割を評価する非侵襲的（EEG）は、ヒトの脳の録音このようなフランカータスクとして認知制御の）、DBS治療を受けている患者のために。

Introduction

ヒトにおける侵襲性の神経生理学的記録は、てんかん外科および腫瘍研究1中にelectrocorticographic皮質領域からの記録と小脳をターゲットと精液の研究に遡ります。このような記録手順の更なる発展への重要なマイルストーンは、人間の脳2の深部構造への安全で効率的なアクセスを提供する定位技術を導入しています。別に臨床治療から、ヒトでの脳の侵襲的アプローチは、特に患者における内および術後侵襲録音の場合は、脳深部刺激を受けて、外部刺激によって変調記録された活動パターンに関連して脳機能を研究するためのかなりユニークな機会を提供する（DBS ）手順。 DBSの適用可能性と有用性が強迫性障害（OCD）またはCHROなどの条件を強迫するパーキンソン病（PD）から様々な神経および精神神経疾患に対処されてきました意識（DOC）のNIC障害。

特に、DBSは、パーキンソン病3,4,5、本態性振戦6、プライマリ/一般分節性ジストニア7,8,9、ハンチントン病10,11、治療抵抗性うつ病12,13、ニコチンの治療に適用されてきましたそして、アルコール依存症14、アルツハイマー病15,16、トゥレット症候群17と意識（DOC）の慢性疾患18,19,20。

神経精神の範囲内で、DBSは、内部カプセル（ALIC）の前肢をターゲットと強迫性障害（OCD）のために承認された/ CEマークの付いた治療で、腹側カプセル/腹側線条体/腹尾状核（VCを/ターゲットに使用されていますVS）、側坐核（NAC）と視床下核（STN）21。 OCD 22でDBSについて、最近の研究では、強迫的なチェックの機構内にSTNの役割を強調しますメモリベースのパラダイム23,24,25を利用することでる。

注目すべきは、認知と感情的な意味合いを持つパラダイムの影響下での脳活動の変調は、DOC 26,27,28,29で強調されています。このように、DBSは慢性DOCのための有望な治療法としてだけでなく、中央の視床地域内および後からローカルフィールドポテンシャル（LFP）を記録することによって、皮質下活性の調節を研究する可能性を開く臨床​​手​​順としてだけでなく、強調表示されています動作可能。

DBSでは、電極の脳神経外科移植は、患者の刺激は術中インパルス刺激テストしてカスタマイズされている間、安全に、脳の解剖学的制約を占め定位技術に基づいています。術後LFPの記録は、DBS電極の初期の移植後とインパルス発生器の内部の前に可能です。特に、本プロトコルはcentereです術後のレコーディングにD。

LFPSとの組み合わせでは、皮質の脳活動の同時記録は、非侵襲的な脳波（EEG）や磁（MEG）30,31によって、インスタンスを達成することができます。これら二つの非侵襲的な方法は、その優れた時間分解能にサポートされています。 MEGは、頭蓋骨の効果32による脳波よりも影響を受けにくいですが、それが少ない金属製インプラントと頭部の動きに起因するアーチファクトの影響を受けている、それは患者のベッドサイド33で使用することができるので、EEGが有利表示されます。適用される感情の認知パラダイムに応答した皮質-皮質下の脳活動（LFPおよびEEG / MEG）の同時記録することにより、脳の振動と行動の間の異なる関係は、時間-周波数結合が34を分析に基づいて確立することができました。ターンでは、このようなパターンは、患者の個別の認知と感情の状態とoの将来のバイオマーカーにつながる可能性個別の設定を考慮した治療パラメータのptimization。

具体的には皮質と皮質下レベルでの認知と感情的な機能の評価のために、ヒトにおける侵襲性および非侵襲性の神経生理学的記録以下のプロトコルの目標、（EEGとLFPS）。

まず、本プロトコルを伴うビデオに示す神経生理学的記録のステップは、いわゆるフランカーのタスクを実行する運動障害（例1）で例の患者で記録に対応しています。

第二に、プロトコルの手順は、慢性DOC 26に発表されたDBSの例から採取し、分析し、サンプルの結果（実施例2）の方法論に着目して議論されています。

これらの2つの例は、異なる障害および様々な実験パラダイムとDBS治療患者に提案されたプロトコルの適用性を強調表示します。

Protocol

DBS手順および侵襲性の記録は大学クリニックデュッセルドルフ、ドイツの倫理委員会によって承認されました。 1.実験パラダイムデザインと患者の同意注：実験パラダイムを設計したり、関心の認知/感情的な側面を標的とするために、既存の実験パラダイムを選択します。 DBS-治療を受ける患者を選択します。 DBS-患者が研究の包含基準を?…

Representative Results

DBS-DOCケース（例2）については、我々は今、DBS注入にターゲットローカリゼーションに関するデータを提供し、LFP電極およびEEGの模式図は、EEGとLFP活動（生データ）と、代表的な分析結果の代表的な録音を設定します。 図2Aは、解剖学的ア ​​トラス36に投影された計画軌道（黒線）、セクション30?…

Discussion

頭皮EEGおよびMEGのような非侵襲的脳記録技術とは対照的に、提案された組み合わせの侵襲性及び非侵襲性の神経生理学的記録のフレームワークは、認知、感情的なタスクに関連する皮質および皮質下の領域から情報を抽出する顕著な機会を提供します。そのような情報は、44の機能する複数の周波数帯域および脳に関連する組織のさまざまなレベルで脳の振動活動によって反射されま…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この作品は、ERA-NET NEURON / BMBFドイツ（タイモ​​ン）によってサポートされていました。出版料は大学病院デュッセルドルフからの助成金で覆われています。ここで使用フランカータスクは、教授C. Besteと彼のグループ47によって最初にプログラムされたバージョンから変更されました。

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
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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).

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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).
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