JoVE Journal > Behavior
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Behavior

Комбинированные инвазивной Подкорковые и неинвазивный поверхности нейрофизиологической Записи для оценки когнитивных и эмоциональных функций у человека

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

Несмотря на успех в применении неинвазивной электроэнцефалографии (ЭЭГ), магнито-Энцефалография (МЭГ) и функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) для извлечения важной информации о механизме человеческого мозга, такие методы остаются недостаточными для предоставления информации о физиологической процессы, отражающие когнитивные и эмоциональные функции на подкорковых уровне. В связи с этим современные инвазивные клинические подходы в организме человека, такие как глубокая стимуляция мозга (DBS), предлагают огромную возможность для записи подкорковой активности мозга, а именно локального поля потенциалов (LFPs), представляющих согласованную деятельность нервных узлов из локализованных базальных ганглиев или таламуса областей , Несмотря на тот факт, что инвазивные подходы в организме человека применяются только после того, как по медицинским показаниям и, таким образом, записанные данные соответствуют измененными цепей мозга, ценную информацию можно получить о наличии неповрежденных функций мозга по отношению к колебательным мозгаактивность и патофизиологии расстройств в ответ на экспериментальных когнитивных парадигм. В этом направлении, все большее число исследований DBS у пациентов с болезнью Паркинсона (PD) цель не только двигательные функции, но и более высокие процессы уровня, такие как эмоции, принятие решений, внимания, памяти и чувственного восприятия. Недавние клинические исследования также подчеркивают роль DBS в качестве альтернативного метода лечения в психоневрологических расстройств, начиная от обсессивно-компульсивного расстройства (ОКР) хронических расстройств сознания (DOC). Следовательно, мы обратили внимание на использование комбинированных инвазивных (LFP) и неинвазивных (ЭЭГ) записей головного мозга человека при оценке роли корково-подкорковых структур в когнитивной и эмоциональной обработки корыто экспериментальных парадигм (например. Речевые раздражители с эмоциональной коннотацией или парадигм когнитивного контроля, такие как задачи Flanker), для пациентов, проходящих лечение DBS.

Introduction

Инвазивные нейрофизиологические записи в организме человека датируются семенных исследований , ориентированных на electrocorticographic записи из корковых и мозжечок во время хирургии эпилепсии и исследования опухоли 1. Важнейшим этапом в дальнейшем развитии такой процедуры записи было введение стереотаксической техники , которая обеспечивает безопасный и эффективный доступ к глубинным структурам человеческого мозга 2. Помимо клинического лечения, мозговые инвазивные подходы в организме человека дают достаточно уникальную возможность для изучения функции мозга в связи с записанными эталонами активности модулированных внешними стимулами, в частности в случае внутри- и послеоперационных инвазивных записей у пациентов, подвергающихся стимуляции глубокого мозга (DBS ) процедуры. Применимость и полезность DBS была решена в различных неврологических и психоневрологических заболеваний, от болезни Паркинсона (БП) с обсессивно-компульсивное расстройство (ОКР) или условия, такие как CHRONIC расстройства сознания (DOC).

В частности, DBS был применен при лечении болезни Паркинсона 3,4,5, эссенциальный тремор 6, первичная / обобщенная сегментарный дистонии 7,8,9, болезнь Хантингтона 10,11, резистентных к лечению депрессии-12,13, никотин и алкогольной зависимости 14, болезнь Альцгеймера 15,16, синдром Туретта 17 и хроническое расстройство сознания (DOC) 18,19,20.

В рамках нейропсихиатрии, DBS является утвержденным / маркировку СЕ для лечения обсессивно-компульсивного расстройства (ОКР) ориентации передней конечности внутренней капсулы (Алик) и используется таргетирования вентральной капсула / вентральном стриатуме / вентральной хвостатого (VC / В.С.), прилежащем ядре (NAC) и гипоталамический ядро (STN) 21. Что касается DBS в OCD 22, недавние исследования подчеркивают роль STN в механизм компульсивное проверкиING путем использования памяти на основе парадигм-23,24,25.

Обращает на себя внимание, модуляция активности мозга под влиянием парадигм с познавательной и эмоциональной коннотацией было подчеркнуто в DOC 26,27,28,29. Таким образом, DBS выделяется не только в качестве перспективного лечения хронического DOC, но и в качестве клинической процедуры, что открывает возможность изучения модуляции подкорковой деятельности путем регистрации локальных потенциалов поля (LFP) из центральных областей таламуса внутри- и пост- оперативно.

В DBS, нейрохирургические имплантация электродов на основе стереотаксической техники, что безопасно приходится мозга анатомических ограничений, в то время как стимуляция пациента настраивается через интраоперационных тестов импульсной стимуляции. Послеоперационный запись LFP возможно после первоначальной имплантации DBS электродов и перед интернализации импульсного генератора. В частности, настоящее протокол Centered на послеоперационные записей.

В сочетании с LFPs, одновременная запись корковой активности мозга может быть достигнуто, например , с помощью неинвазивной электроэнцефалографии (ЭЭГ) или магнитоэнцефалографии (МЭГ) 30,31. Эти два неинвазивные методы поддерживаются благодаря своим отличным временным разрешением. В то время как МЭГ менее подвержен влиянию , чем EEG черепно эффектов 32, электроэнцефалограмма появляется предпочтительным , так как он менее подвержен влиянию артефактов , вызванных металлическими имплантатами и движений головы и его можно использовать при прикроватные пациента 33. При одновременной регистрации активности мозга корково-подкорковой (LFP и EEG / МЭГ) в ответ на приложенные эмоционально-когнитивный парадигм, разные соотношения между колебаниями мозга и поведения могут быть созданы на основе частотно-временного анализа связывания 34. В свою очередь, такие модели могут привести к потенциальным биомаркеров индивидуализированной когнитивных пациента и эмоциональных состояний и Оptimization параметров обработки с учетом индивидуальных параметров.

Следующие цели протокола инвазивные и неинвазивные нейрофизиологические записи в организме человека для оценки когнитивной и эмоциональной функции, в частности, на корковых и подкорковых уровне (ЭЭГ и LFPs).

Во-первых, нейрофизиологические шаги записи, показанные в ролике, который сопровождает настоящий протокол, соответствует записи с примера пациента с расстройством движения, который выполняет так называемую задачу Flanker (пример 1).

Во- вторых, шаги в протоколе обсуждаются, сосредоточив внимание на методологии и результатов анализа образцов , взятых из опубликованного примера DBS при хроническом DOC 26 (пример 2).

Эти два примера подчеркивают применимость предлагаемого протокола к DBS лечение пациентов с различными нарушениями и различных экспериментальных парадигм.

Protocol

Процедура DBS и инвазивные записи были одобрены комиссией по этике университетской клинике Дюссельдорфа, Германия. 1. Экспериментальная Paradigm Дизайн и Согласие пациента Примечание: Разработка экспериментальной парадигмы или выбрать существующую эксперим?…

Representative Results

Для DBS-DOC случае (пример 2), мы в настоящее время предоставляют данные о целевой локализации для DBS имплантации, принципиальные схемы LFP электрода и ЭЭГ установить примерные записи ЭЭГ и LFP активности (исходные данные) и репрезентативных результатов анализа: <p class="jove_conte…

Discussion

В отличие от неинвазивных методов записи мозг, как скальп-ЭЭГ и МЭГ, предлагаемое в сочетании инвазивным и неинвазивным нейрофизиологические основы записи обеспечивает замечательную возможность извлекать информацию из корковых и подкорковых областях по отношению к когнитивно-эмоци…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа была поддержана ERA-NET НЕЙРОНА / БМБФ Германия (Тимон). таксы покрываются за счет гранта от университетской клиники Дюссельдорфа. Задача Flanker используется здесь была изменена с изначально запрограммированным версии профессора С. Beste и его группы 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

References

  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/53466?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image