Met behulp van Saccadometry met Deep Brain Stimulation voor normale en pathologische hersenfunctie Studie

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

De laatste jaren is er steeds meer belangstelling voor het gebruik van metingen van reactietijden als een kwantitatieve en niet- invasieve manier van het verkrijgen van informatie over de mechanismen van neurale besluitvormingsproces ¹ hoog. Eén type reactie keer dat uitvoerig is onderzocht is de tijd genomen om een ​​saccade te starten op vertoon van een visuele stimulus, die bekend staat als saccade latentie. Saccades zijn de snelle oogbewegingen die optreden wanneer we snel onze blik van de ene plaats naar de andere. Zij zijn de meest voorkomende type oogbewegingen wij, optreedt bij een frequentie van typisch twee of drie per seconde. Elk saccade in feite een beslissing te kijken naar een cue in de visuele wereld plaats van een ^2.

De zenuwbanen regelen oogbewegingen zijn uitgebreid bestudeerd en worden immers vastgelegd ^3. Met behulp van gevoelige elektronische apparatuur, kunnen aspecten van oculomotorische functie precies en objectivel zijny gekwantificeerd. Dit vergemakkelijkt het gedetailleerde studie van oogbewegingen zelf, maar ook kunnen ze worden gebruikt als een instrument om andere gebieden van motoriek en pathofysiologie onderzoeken.

Oogbeweging meting kan nuttige informatie over de ziekte van staten te verstrekken. Saccade oogbewegingen onlangs bijvoorbeeld veel aandacht gekregen als potentiële biomarkers in neurodegeneratieve aandoeningen waaronder Huntington ^4,5 pt ^6,7 Parkinson ziekte, en het is duidelijk geworden dat saccadische reactietijden meestal trager dan normaal in deze omstandigheden. Gebruiksmogelijkheden van saccade meting onder meer steun aan de diagnose en de ziekte van tracking. Saccade taken variëren van eenvoudig prosaccade (kijken zo snel mogelijk naar een visuele stimulus die plotseling naar links of rechts) om complexere taken zoals de antisaccade (zo snel mogelijk naar de andere kant een visuele stimulus) of geheugen- begeleide saccade (zoeknaar de herinnerde locatie van een doel dat is er niet meer).

Diepe hersenstimulatie is een effectieve behandeling van verschillende neurologische aandoeningen. Het wordt meestal gebruikt om de motorische symptomen van de ziekte van Parkinson, waaronder tremor, rigiditeit, bradykinesie en dyskinesie te behandelen. Het wordt ook gebruikt voor andere bewegingsstoornissen zoals dystonie en essentiële tremor en minder vaak voor neuropathische pijn, epilepsie en psychiatrische aandoeningen zoals obsessieve compulsieve stoornis. Het is de enige omgeving waarin wetenschappers directe elektrische toegang tot dieptestructuur van de menselijke hersenen in vivo en vormt dus een waardevolle kans voor experimentele neurologie. Verschillende doelstellingen gestimuleerde afhankelijk van de aandoening die wordt behandeld, waaronder diverse locaties in de basale ganglia, waarvan vele zijn betrokken bij oculomotorische wegen. Dit betekent dat een groot aantal studies kunnen worden uitgevoerd met DBS systeem pulsen afgeeftnaar een bepaalde locatie en de hersenen een eye tracking-apparaat op te nemen en de gevolgen ervan te analyseren. Afhankelijk van de experimentele paradigma, kunnen dergelijke studies geven informatie over de fysiologie van de regio wordt gestimuleerd, de gevolgen van de ziekte, of het mechanisme waarmee DBS werkt op die geselecteerde instelling. Dit artikel beschrijft een algemene aanpak van de saccade oogbeweging testen in Deep Brain Stimulation patiënten.

Verschillende soorten eye tracking apparatuur beschikbaar. Voor de in dit protocol beschreven onderzoek werd een draagbare saccadometer gebruikt om horizontale saccade oogbewegingen te nemen. Portable saccadometers het voordeel zonder eigen hoofdsteun (zie figuur 1), waardoor sessies comfortabeler voor patiënten met de ziekte van Parkinson, vooral voor die lijden aan ernstige dyskinesie. De saccadometer hier is licht van gewicht en ongeveer 5 cm breed en 10 cm hoog. De saccadometer measures oogbewegingen door het gebruik van directe infrarood oculografie: een infraroodbron en sensor geplaatst vóór de mediale ooghoek gebruik licht gereflecteerd door het hoornvlies van de rotatiepositie van de oogbal vast te milliseconde intervallen. Om betrouwbare gegevens voor analyse te verkrijgen moet de saccadometer monster met een snelheid van ten minste 1 kHz met ten minste een 12 bit resolutie. In de saccadometer hier gebruikt waren de visuele stimuli drie rode 13 cd m ^-2 plekken van licht geproduceerd door ingebouwde low power lasers, elke plek staalkaart sommige 0,1 graden, met een plek in de middellijn en de andere twee op ± 10 graden (dat wil zeggen , rechts en links).

Figuur 1. De Saccadometer. Hoofd gemonteerd saccadometer bevestigd aan een elastische band en rusten op de brug van de neus. Vier miniatuur lasers projecteren visuele doels op een mat oppervlak, en de deelnemer oogbewegingen worden gemeten door differentiële infrarood reflectie transducers aan de nasale kant van elk oog. Omdat de laser targets te gaan met het hoofd, hoofdsteunen zijn niet nodig. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Protocol

De lokale ethische commissie goedgekeurd deze studie en geïnformeerde toestemming werd verkregen van de deelnemers, zoals hieronder beschreven in paragraaf 1. 1. Deelnemer Toestemming Zorg voor deelnemers met een informatieblad dat legt in detail uit hoe de testsessie zal omvatten. Nadat de deelnemers hebben de mogelijkheid om te lezen en eventuele vragen, problemen of andere zaken die verband houden met hun deel te nemen aan het onderzoek te bespreken, ga door het toes…

Representative Results

Figuur 3 toont een voorbeeld van saccade oogbeweging trajecten, de ziekte van Parkinson een patiënt met een nucleus subthalamicus DBS-systeem geïmplanteerd. De twee grafieken plot prosaccades van de patiënt met de stimulator systeem uitgeschakeld (bovenste grafiek) en ingeschakeld (onderste grafiek). Elk spoor op de grafieken toont de baan van een saccade, dat wil zeggen, hoe het oog positie in graden van de middellijn (y-as) varieert als functie van de tijd …

Discussion

De meest kritische factor bij het verkrijgen van een goede kwaliteit saccade data is ervoor te zorgen dat de instructies gegeven aan de deelnemer zijn duidelijk en nauwkeurig. Bijvoorbeeld, wanneer de instructies voor de antisaccadic taak niet geheel duidelijk, de deelnemer waarschijnlijk prosaccades plaats voeren. Opnamen kunnen ook verwend zijn als de deelnemer niet duidelijk kunt zien dat de stimuli of saccadometer kan niet nauwkeurig meten ooghoogte. Dus als de gegevens worden weergegeven van een lage kwaliteit zijn…

Materials

Saccadometer device ( Ober Consulting Poland)

Computer with Windows environment

Software, Latency Meter for downloading the raw data from the saccadometer.