JoVE Journal > Behavior
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Tadução automática
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Comportamento

Kombinerade Invasive subkortikala och icke-invasiv Surface Neurofysiologiska inspelningar för bedömning av kognitiv och emotionell funktioner hos människor

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

Trots framgångarna vid tillämpningen av icke-invasiv elektroencefalografi (EEG), magneto-encephalography (MEG) och funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) för att extrahera viktig information om mekanismen för den mänskliga hjärnan, sådana metoder fortfarande otillräckliga för att ge information om fysiologiska processer som återspeglar kognitiva och emotionella funktioner på subkortikal nivå. I detta avseende, moderna invasiva kliniska metoder i människor, såsom djup hjärnstimulering (DBS), erbjuder en enorm möjlighet att spela in subkortikal hjärnaktivitet, det vill säga lokala fält potentialer (LFPs) representerar sammanhängande verksamhet av neurala församlingar från lokal basala ganglierna eller talamiska regioner . Trots att invasiva metoder hos människor tillämpas endast efter medicinsk indikation och därmed inspelade data motsvarar förändrade hjärnkretsar, kan värdefull insikt vinnas om närvaron av intakta hjärnfunktioner i förhållande till hjärnan oscillerandeaktivitet och patofysiologin av störningar till följd av experimentella kognitiva paradigm. I denna riktning, ett växande antal DBS studier på patienter med Parkinsons sjukdom (PD) riktar inte bara motoriska funktioner utan också högre processer nivå såsom känslor, beslutsfattande, uppmärksamhet, minne och sensorisk perception. Nyligen utförda kliniska prövningar betonar också betydelsen av DBS som ett alternativ behandling i neuropsykiatriska störningar som sträcker sig från tvångssyndrom (OCD) till kroniska sjukdomar i medvetandet (DOC). Därför fokuserar vi på användning av kombinerade invasiva (LFP) och icke-invasiva (EEG) mänskliga hjärnan inspelningar att bedöma rollen av kortikala-subkortikala strukturer i kognitiva och emotionella bearbetning tråg experimentella paradigm (t.ex.. Tal stimuli med känslomässig klang eller paradigm av kognitiv kontroll såsom Flanker uppgift), för patienter som genomgår DBS behandling.

Introduction

Invasiva neurofysiologiska inspelningar i människor går tillbaka till sädes- studier inriktade electrocorticographic inspelningar från kortikala områden och lillhjärnan under epilepsikirurgi och tumör forskning 1. En viktig milstolpe i vidareutveckling av ett sådant förfarande inspelningen har varit införandet av den stereotaktiska teknik som ger säker och effektiv tillgång till djupa strukturer i den mänskliga hjärnan två. Bortsett från klinisk behandling, hjärn invasiva metoder i människor ger en ganska unik möjlighet att studera hjärnans funktion i förhållande till inspelade aktivitetsmönster moduleras av yttre stimuli, särskilt fallet intra- och postoperativa invasiva inspelningar hos patienter som genomgår djup hjärnstimulering (DBS ) förfaranden. Tillämpligheten och användbarheten av DBS har tagits upp i olika neurologiska och neuropsykiatriska sjukdomar av Parkinsons sjukdom (PD) till tvångssyndrom (OCD) eller tillstånd som chronic störningar av medvetande (DOC).

I synnerhet har DBS använts vid behandling av Parkinsons sjukdom 3,4,5, essentiell tremor 6, primär / genersegment dystoni 7,8,9, Huntingtons sjukdom 10,11, behandlingsresistent-depression 12,13, nikotin och alkoholmissbruk 14, Alzheimers sjukdom 15,16, Tourettes syndrom 17 och kronisk sjukdom i medvetandet (DOC) 18,19,20.

Inom ramen för neuropsykiatri, är DBS en godkänd / CE-märkt behandling för tvångssyndrom (OCD) med inriktning på främre delen av den inre kapseln (ALIC) och används med inriktning på ventrala kapsel / ventrala striatum / ventrala caudate (VC / VS), nucleus accumbens (NAC) och nucleus subthalamicus (STN) 21. Beträffande DBS i OCD 22 nya studier betona vikten av STN i mekanismen för tvångs kontrolling genom att utnyttja minnesbaserad paradigm 23,24,25.

Anmärkningsvärt, modulering av hjärnaktivitet under påverkan av paradigm med kognitiva och emotionella klang har betonats i DOC 26,27,28,29. Således är DBS markeras inte bara som en blivande behandling för kronisk DOC, men också som en klinisk procedur som öppnar upp möjligheten att studera modulering av subkortikala aktivitet genom att spela in lokala fält potentialer (LFP) från centrala talamus regioner intra- och post- operativt.

I DBS är neurokirurgisk implantation av elektroder baserat på den stereotaktiska teknik som säkert står för hjärnan anatomiska begränsningar, medan patientens stimulering är anpassad genom intra-operativa impulsstimuleringstester. Postoperativ LFP inspelning är möjlig efter initial implantation av DBS elektroderna och före internalisering av impulsgeneratorn. I synnerhet är det nuvarande protokollet centered på postoperativa inspelningar.

I kombination med LFPs, kan samtidig inspelning av kortikal hjärnaktivitet uppnås exempelvis genom icke-invasiv elektroencefalografi (EEG) eller magnetencefalografi (MEG) 30,31. Dessa två icke-invasiva metoder stöds på grund av dess utmärkta tidsupplösning. Medan MEG är mindre drabbade än EEG av skallen effekter 32 visas EEG fördelaktigt eftersom det är mindre påverkas av artefakter orsakade av metalliska implantat och huvudrörelser och den kan användas vid patientens säng-sida 33. Genom samtidig inspelning av kortikal-subkortikala hjärnaktivitet (LFP och EEG / MEG) som svar på tillämpade emotionella kognitiva paradigm, kan olika relationer mellan hjärn svängningar och beteende fastställas på grundval av tid-frekvenskoppling analyser 34. I sin tur kan sådana mönster leda till potentiella biomarkörer för en patients individuella kognitiva och emotionella tillstånd och optimization av behandlingsparametrar väger individualiserade inställningar.

Följande protokoll mål invasiva och icke-invasiva neurofysiologisk inspelning hos människor för bedömning av kognitiv och emotionell funktion, särskilt på kortikala och subkortikala nivå (EEG och LFPs).

För det första neurofysiologiska inspelning Stegen illustreras i videon, som bifogas detta protokoll, motsvarar en inspelning med ett exempel patient med rörelsestörning som utför så kallade Flanker uppgift (Exempel 1).

För det andra steg i protokollet diskuteras genom att fokusera på metoder för analys och provresultat som tagits från en publicerad DBS exempel vid kronisk DOC 26 (Exempel 2).

Dessa två exempel belysa tillämpningen av det föreslagna protokollet till DBS-behandlade patienter med olika sjukdomar och olika experimentella paradigm.

Protocol

DBS förfarande och invasiva inspelningar godkändes av den etiska kommissionen universitetskliniken Düsseldorf, Tyskland. 1. Experimentell Paradigm Design och patientens samtycke OBS: Utforma en experimentell paradigm eller välj en befintlig experimentell paradigm för att rikta en kognitiv / känslomässiga aspekten av intresse. Välj patienter som kommer att genomgå DBS-behandling. Fråga om DBS-patient möter studiens inklusionskriterier. Om ja,…

Representative Results

För DBS-DOC fall (Exempel 2), vi nu lämna uppgifter om mål lokalisering för DBS implantation, schematiska diagram över LFP elektrod och EEG inrättas, exempel på inspelningar av EEG och LFP aktivitet (rådata) och representativa analysresultat: Figur 2A visar planerade bana (svart linje) projiceras på en anatomisk atlas 36, avsnitt 30, kranskärlssjukdom, 10,7 mm bakom tvärförbindelser i hj…

Discussion

I motsats till icke-invasiv hjärninspelningstekniker som hårbotten-EEG och MEG, ger den föreslagna kombinerade invasiva och icke-invasiva neurofysiologisk ram inspelning en enastående möjlighet att extrahera information från kortikala och subkortikala områden i relation till kognitiva och emotionella uppgifter. Sådan information reflekteras av hjärn oscillerande aktivitet vid flera frekvensband och olika organisationsnivåer i förhållande till hjärnans funktion 44. Brain oscillerande mönster som …

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Detta arbete stöddes av ERA-NET Neuron / BMBF Tyskland (Tymon). Publiceringsersättning täcks av ett bidrag från universitetssjukhuset i Düsseldorf. Den Flanker uppgift som används här har ändrats från den initialt programmerade version av Prof. C. Beste och hans grupp 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