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

Kombinert Invasive subkortikale og ikke-invasiv Surface Nevrofysiologiske Opptak for vurdering av kognitive og emosjonelle funksjoner hos 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

Til tross for suksessen i bruk ikke-invasiv elektroencefalografi (EEG), magneto-encephalography (MEG) og funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI) for å trekke ut viktig informasjon om mekanismen for den menneskelige hjerne, slike metoder være tilstrekkelig til å gi informasjon om fysiologiske prosesser som gjenspeiler kognitive og emosjonelle funksjoner på subcortikal nivå. I dette henseende, moderne invasive kliniske metoder hos mennesker, for eksempel dyp hjernestimulering (DBS), har en enorm mulighet til å ta opp subkortikale hjerneaktivitet, nemlig lokale feltpotensialer (LFPs) som representerer sammenhengende aktivitet av neural-samlinger fra lokaliserte basalganglier eller talamiske regioner . Til tross for det faktum at invasive metoder hos mennesker anvendes bare etter medisinsk indikasjon, og således registrerte data samsvarer med endrete hjernen kretser, kan verdifull innsikt oppnås med hensyn til nærvær av intakte hjernefunksjoner i forhold til hjernen oscillerendeaktivitet og patofysiologien av lidelser som reaksjon på eksperimentelle kognitive paradigmer. I denne retningen, et økende antall DBS studier hos pasienter med Parkinsons sykdom (PD) målrette ikke bare motoriske funksjoner, men også høyere nivå prosesser som følelser, beslutningstaking, oppmerksomhet, hukommelse og sanseoppfatning. Nyere kliniske studier understreker også rollen som DBS som et alternativ behandling i nevropsykiatriske lidelser som strekker seg fra tvangslidelser (OCD) til kroniske lidelser av bevissthet (DOC). Derfor fokuserer vi på bruken av kombinerte invasive (LFP) og ikke-invasive (EEG) menneskelige hjerne innspillinger i å vurdere rollen kortikale-subkortikale strukturer i kognitive og emosjonelle behandling trough eksperimentelle paradigmer (f.eks. Tale stimuli med emosjonelle konnotasjoner eller paradigmer av kognitiv kontroll som Flanker oppgave), for pasienter som gjennomgår DBS behandling.

Introduction

Invasive nevrofysiologiske opptak hos mennesker tilbake til nyskapende studier rettet mot electrocorticographic opptak fra kortikale områder og lillehjernen under epilepsi kirurgi og tumor forskning 1. En kritisk milepæl inn i videreutvikling av et slikt opptak fremgangsmåte har vært innføringen av den stereotaktisk teknikk som gir sikker og effektiv tilgang til dype strukturer av den menneskelige hjerne 2. Bortsett fra klinisk behandling, hjerne invasive tilnærminger hos mennesker gir en ganske unik mulighet til å studere hjernens funksjon i forhold til registrerte aktivitetsmønstre modulert av ytre stimuli, særlig når det gjelder intra- og postoperative invasive opptak i pasienter som gjennomgår dyp hjernestimulering (DBS ) prosedyrer. Anvendelig og nytten av DBS har blitt behandlet i ulike nevrologiske og nevropsykiatriske sykdommer av Parkinsons sykdom (PD) til tvangslidelser (OCD) eller forhold som CHROnic forstyrrelser av bevissthet (DOC).

Spesielt har DBS er anvendt ved behandling av Parkinsons sykdom 3,4,5, essensiell tremor 6, primær / gener segmental dystoni 7,8,9, Huntingtons sykdom 10,11, behandlingsresistent-depresjon 12,13, nikotin og alkoholavhengighet 14, Alzheimers sykdom 15,16, Tourettes syndrom 17 og kronisk forstyrrelse av bevissthet (DOC) 18,19,20.

Innenfor rammen av nevropsykiatri, er DBS godkjent / CE-merket behandling for tvangslidelser (OCD) rettet mot fremre lem av den interne kapselen (ALIC) og er i bruk rettet mot ventral kapsel / ventral striatum / ventral caudatus (VC / VS), nucleus accumbens (NAC) og subthalamic nucleus (STN) 21. Angå DBS i OCD 22 nyere studier legger vekt på STN inn i mekanismen for tvangsmessig sjekking ved å utnytte minne basert-paradigmer 23,24,25.

Verdt å merke seg, modulering av hjernens aktivitet under påvirkning av paradigmer med kognitive og emosjonelle konnotasjoner har blitt vektlagt i DOC 26,27,28,29. Således blir DBS fremhevet, ikke bare som en potensiell behandling for kronisk DOC, men også som et klinisk prosedyre som åpner opp muligheten for å studere modulering av subkortikal aktivitet ved å registrere lokale feltpotensialer (LFP) fra sentral talamiske regioner intra- og post- operativt.

I DBS, er nevrokirurgisk implantasjon av elektroder basert på stereotaktisk teknikk som sikkert står for hjerne anatomiske begrensninger, mens pasientens stimulering er tilpasset gjennom intra-operative impuls-stimuleringstester. Postoperativ LFP opptak er mulig etter første implantasjon av DBS elektroder og før internalisering av impulsgenerator. Spesielt er den nåværende protokollen centered på postoperative opptak.

I kombinasjon med LFPs kan samtidig registrering av kortikale hjerneaktivitet oppnås for eksempel ved ikke-invasiv elektroencefalografi (EEG) eller magnetoencefalografi (MEG) 30,31. Disse to ikke-invasive metoder er støttet på grunn av sin utmerkede tidsoppløsning. Mens MEG er mindre berørt enn EEG av skallen effekter 32, vises EEG fordel fordi det er mindre påvirket av gjenstander forårsaket av metalliske implantater og hodebevegelser og den kan brukes på pasientens seng side 33. Ved samtidig registrering av kortikal-subkortikale hjerneaktiviteten (LFP og EEG / MEG) som svar på anvendt emosjonelle kognitiv paradigmer, ulike relasjoner mellom hjerne svingninger og atferd etableres på grunnlag av tids frekvens koplingsanalyser 34. I sin tur, kan slike mønstre føre til potensielle biomarkører for pasientens individuell kognitiv og følelsesmessige tilstander og optimization av behandlingsparametere vurderer individualiserte innstillinger.

Følgende protokoll mål invasive og ikke-invasive nevrofysiologiske opptak i mennesker for vurdering av kognitive og emosjonelle funksjon, spesielt på kortikale og subkortikale nivå (EEG og LFPs).

Først de nevrofysiologiske opptak trinnene illustrert i videoen, som følger den nåværende protokollen, tilsvarer et opptak med et eksempel pasient med bevegelsesforstyrrelse som utfører såkalte Flanker oppgave (eksempel 1).

For det andre er trinnene i protokollen diskutert ved å fokusere på metodikk for analyse og prøveresultatene er tatt fra en publisert DBS eksempel kronisk DOC 26 (eksempel 2).

Disse to eksemplene markere anvendelsen av den foreslåtte protokollen til DBS-behandlede pasienter med ulike lidelser og ulike eksperimentelle paradigmer.

Protocol

Den DBS prosedyre og invasive Opptakene ble godkjent av etikk-kommisjonen ved University Clinic Düsseldorf, Tyskland. 1. Experimental Paradigm Design og pasientens samtykke MERK: Design en eksperimentell paradigme eller velg en eksisterende eksperimentelle paradigmet å målrette en kognitiv / følelsesmessige aspektet av interesse. Velg pasienter som vil gjennomgå DBS-behandling. Spør om DBS-pasient oppfyller inklusjonskriteriene studiens. Hvis ja,…

Representative Results

For DBS-DOC saken (eksempel 2), har vi nå gi data om målet lokalisering for DBS implantering, skjematiske diagrammer av LFP elektrode og EEG satt opp, eksemplariske opptak av EEG og LFP aktivitet (rådata) og representative analyseresultater: Figur 2A viser planlagt bane (svart linje) projisert på en anatomisk atlas 36, § 30, koronar, 10,7 mm bak fremre commissure (AC) (rød linje: AC-PC plan). …

Discussion

I motsetning til ikke-invasiv hjerneopptaksteknikker som skalp-EEG og MEG, gir den foreslåtte kombinert invasive og ikke-invasive nevrofysiologiske opptak rammeverk en bemerkelsesverdig mulighet til å trekke ut informasjon fra kortikale og subkortikale områder i forhold til kognitive-emosjonelle oppgaver. Slik informasjon er reflektert av hjernen oscillasjon aktivitet på flere frekvensbånd og ulike nivåer av organisasjonen i forhold til hjernen fungerer 44. Brain oscillasjon mønstre som er relevante i …

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbeidet ble støttet av ERA-NET NEURON / BMBF Tyskland (Tymon). Publiserings avgifter dekkes av en bevilgning fra Universitetssykehuset Düsseldorf. Den Flanker oppgaven brukt her ble endret fra opprinnelig programmert versjonen av professor 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