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.
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.
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.
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 …
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |