Использование Saccadometry с Глубокая стимуляция мозга для изучения нормальной и патологической функции мозга
Summary
This paper describes the use of quantitative measurement of eye movements in conjunction with stimulation of focal areas of the deep brain in order to study physiology, pathophysiology, and the mechanisms of deep brain stimulation.
Abstract
The oculomotor system involves a large number of brain areas including parts of the basal ganglia, and various neurodegenerative diseases including Parkinson’s and Huntington’s can disrupt it. People with Parkinson’s disease, for example, tend to have increased saccadic latencies. Consequently, the quantitative measurement of saccadic eye movements has received considerable attention as a potential biomarker for neurodegenerative conditions. A lot more can be learned about the brain in both health and disease by observing what happens to eye movements when the function of specific brain areas is perturbed. Deep brain stimulation is a surgical intervention used for the management of a range of neurological conditions including Parkinson’s disease, in which stimulating electrodes are placed in specific brain areas including several sites in the basal ganglia. Eye movement measurements can then be made with the stimulator systems both off and on and the results compared. With suitable experimental design, this approach can be used to study the pathophysiology of the disease being treated, the mechanism by which DBS exerts it beneficial effects, and even aspects of normal neurophysiology.
Introduction
В последние годы наблюдается повышенный интерес к использованию измерений времени реакции в качестве количественной и неинвазивной способ получения информации о механизмах высокого уровня нейронной принятия решений 1. Один тип времени реакции, которая была широко изучена это время, необходимое для инициирования саккаду на презентации визуального стимула, известный как саккадической латентности. Саккады являются быстрые движения глаз, которые происходят, когда мы быстро перенести наш взгляд с одного места на другое. Они являются наиболее распространенными типами движений глаз мы делаем, происходит на частоте обычно два или три в секунду. Каждый саккада действует решение , чтобы посмотреть на одну реплику в визуальном мире , а не другой 2.
Нервные пути , контролирующие движения глаз, были изучены и достаточно хорошо документированы 3. С помощью чувствительного электронного оборудования, аспекты функции глазодвигательного могут быть точно и objectivelу количественно. Это облегчает детальное изучение самих движений глаз, но и позволяет использовать их в качестве инструмента для исследования других областей нейрофизиологии и патофизиологии.
Измерение движения глаз может дать полезную информацию о болезненных состояниях. Скачкообразных движений глаз в последнее время , к примеру, получили большое внимание в качестве потенциальных биомаркеров при нейродегенеративных расстройств , в том числе заболеваний Хантингтона 4,5 и болезнь Паркинсона 6,7, и хорошо установлено , что скачкообразных время реакции , как правило, медленнее , чем обычно в этих условиях. Потенциальные возможности использования саккадической измерения включают в себя вспомогательные средства для диагностики и отслеживания заболеваний. Саккадическая задачи варьируются от простого prosaccade (если смотреть как можно быстрее к внезапно появляющейся визуальный стимул влево или вправо) до более сложных задач, таких как antisaccade (если смотреть как можно быстрее к противоположной стороне на зрительный стимул) или память- руководствуясь саккада (если смотретьпо отношению к запомненной местоположении цели, которая больше не является там).
Глубокая стимуляция мозга является эффективным средством для лечения ряда неврологических заболеваний. Чаще всего он используется для лечения двигательные симптомы болезни Паркинсона, включая тремор, ригидность, брадикинезией и дискинезии. Он также используется для других двигательных расстройств, в том числе дистонии и эссенциального тремора, реже при нейропатической боли, эпилепсии, а также психических заболеваний, таких как обсессивно-компульсивное расстройство. Это единственный параметр , в котором ученые имеют прямой электрический доступ к глубинным структурам головного мозга человека в естественных условиях и , таким образом , предлагает драгоценную возможность для экспериментальной неврологии. Разнообразие мишеней стимулируются в зависимости от состояния, подлежащего лечению, в том числе нескольких местах в базальные ганглии, многие из которых участвуют в глазодвигательными путей. Это означает, что широкий спектр исследований может проводиться с использованием системы DBS для доставки стимуляциив данном месте мозга и устройство слежения за глазом для записи и анализа его последствий. В зависимости от экспериментальной парадигмы, такие исследования могут дать информацию о физиологии региона стимулируется, последствия заболевания, или механизм, с помощью которого DBS работает в этой конкретной обстановке. В данной статье описывается общий подход к саккадической тестирования движения глаз у пациентов Глубокая стимуляция мозга.
Несколько различных типов глаз отслеживания оборудования доступны. Для исследований, описанных в данном протоколе портативный saccadometer был использован для записи горизонтальных саккадических движений глаз. Портативные saccadometers имеют преимущество не требующих подголовника (см Рисунок 1), что означает , что сеансы более удобным для пациентов с болезнью Паркинсона, особенно для тех , кто страдает с тяжелой дискинезии. Saccadometer здесь используется легкий и шириной около 5 см и 10 см в высоту. Saccadometer колбыразреш движения глаз за счет использования прямого инфракрасного окулография: инфракрасный источник и датчик, расположенный в передней части медиального использования угол глазной щели света, отраженного от роговицы, чтобы установить угловое положение глазного яблока с интервалом миллисекунду. Для того чтобы получить хорошие качественные данные для анализа saccadometer должны попробовать со скоростью по меньшей мере, 1 кГц, по меньшей мере, с разрешением 12 бит. В saccadometer используется здесь визуальные стимулы были три красных 13 кд м -2 пятна света , полученного с помощью встроенного в низких лазерах, каждое пятно объединительной некоторые 0,1 градусов, с одного места в средней линии , а два других на ± 10 градусов (т.е. , справа и слева).
Рисунок 1. Saccadometer. Глава монтируется saccadometer прикреплен к резинке и покоится на переносице. Четыре миниатюрные лазеры проекта визуальной целиs на матовой поверхности, а также движений глаз участника измеряются с помощью дифференциальных инфракрасных отражательных датчиков на носовой части каждого глаза. Поскольку лазерные мишени движутся с головы, подголовники не требуется. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Protocol
Representative Results
Discussion
Самым важным фактором в получении хорошего качества скачкообразное данных гарантирует, что инструкции, данные участника являются ясными и точными. Например, если в инструкции для antisaccadic задачи не совсем понятно, участник может выполнить prosaccades вместо этого. Записи могут также быть исп…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dr. Antoniades was supported by the National Institute of Health Research (NIHR) and by the Dementias and Neurodegenerative Diseases Research Network (DENDRON) and by the Wellcome Trust. Dr FitzGerald was supported by the National Institute for Health Research (NIHR) Oxford Biomedical Research Centre.
Materials
| Saccadometer device ( Ober Consulting Poland) |
| Computer with Windows environment |
| Software, Latency Meter for downloading the raw data from the saccadometer. |
Referências
- Leigh, R. J., & Kennard, C. Using saccades as a research tool in the clinical neurosciences. Brain. 127, 460-477 (2004).
- Carpenter, R. H. The neural control of looking. Curr Biol. 10, R291-293 (2000).
- Leigh, R. J., & Zee, D. S. The Neurology of Eye Movements. New York: Oxford University Press, (2006).
- Antoniades, C. A., Xu, Z., Mason, S. L., Carpenter, R. H., & Barker, R. A. Huntington's disease: changes in saccades and hand-tapping over 3 years. Journal of Neurology. 257, 1890-1898 (2010).
- Blekher, T.M., Yee, RD., Kirkwood, SC., Hake, AM., Stout, JC., Weaver, MR., Foroud, TM. Oculomotor control in asymptomatic and recently diagnosed individuals with the genetic marker for Huntington's disease. in Vision Research. Vol. 44 2729-2736 (2004).
- Chan, F., Armstrong, I. T., Pari, G., Riopelle, R. J., & Munoz, D. P. Deficits in saccadic eye-movement control in Parkinson's disease. Neuropsychologia. 43, 784-796 (2005).
- Antoniades, C. A., Demeyere, N., Kennard, C., Humphreys, G. W., & Hu, M. T. Antisaccades and executive dysfunction in early drug-naive Parkinson's disease: The discovery study. Mov Disord. (2015).
- Antoniades, C. et al. An internationally standardised antisaccade protocol. Vision Res. 84, 1-5 (2013).
- Ober, J. K. et al. Hand-Held system for ambulatory measurement of saccadic durations of neurological patients. . In: Modelling and Measurement in Medicine. (2003).
- Temperli, P. et al. How do parkinsonian signs return after discontinuation of subthalamic DBS? Neurology. 60, 78-81 (2003).
- Antoniades, C. A. et al. Deep brain stimulation: eye movements reveal anomalous effects of electrode placement and stimulation. PLoS ONE. 7, e32830 (2012).
- Yugeta, A. et al. Effects of STN stimulation on the initiation and inhibition of saccade in Parkinson disease. Neurology. 74, 743-748 (2010).
- Terao, Y., Fukuda, H., Ugawa, Y., & Hikosaka, O. New perspectives on the pathophysiology of Parkinson's disease as assessed by saccade performance: a clinical review. Clin Neurophysiol. 124, 1491-1506 (2013).
- Temel, Y., Visser-Vandewalle, V., & Carpenter, R. H. Saccadic latency during electrical stimulation of the human subthalamic nucleus. Curr Biol. 18, R412-414 (2008).
- Antoniades, C. A. et al. Deep brain stimulation abolishes slowing of reactions to unlikely stimuli. J Neurosci. 34, 10844-10852 1065-14.2014(2014).
- Rivaud-Pechoux, S. et al. Improvement of memory guided saccades in parkinsonian patients by high frequency subthalamic nucleus stimulation. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 68, 381-384 (2000).
- Takikawa, Y., Kawagoe, R., Itoh, H., Nakahara, H., & Hikosaka, O. Modulation of saccadic eye movements by predicted reward outcome. Experimental brain research. Experimentelle Hirnforschung. 142, 284-291 (2002).
- Dorris, M. C., & Munoz, D. P. A neural correlate for the gap effect on saccadic reaction times in monkey. Journal of Neurophysiology. 73, 2558-2562, (1995).
- Hanes, D. P., & Schall, J. D. Countermanding saccades in macaque. Visual Neuroscience. 12, 929-937, (1995).
- Opris, I., Barborica, A., & Ferrera, V. P. On the gap effect for saccades evoked by electrical microstimulation of frontal eye fields in monkeys. Experimental brain research. Experimentelle Hirnforschung. 138, 1-7 (2001).
- Takagi, M., Frohman, E. M., & Zee, D. S. Gap-overlap effects on latencies of saccades, vergence and combined vergence-saccades in humans. Vision Res. 35, 3373-3388 (1995).
- Schall, J. D. Neuronal activity related to visually guided saccades in the frontal eye fields of rhesus monkeys: comparison with supplementary eye fields. Journal of Neurophysiology. 66, 559-579 (1991).
- Pare, M., & Hanes, D. P. Controlled movement processing: superior colliculus activity associated with countermanded saccades. J Neurosci. 23, 6480-6489 (2003).
