正常および病的脳機能を研究するために脳深部刺激でSaccadometryを使用します

Introduction

近年^1を作る神経決定の高レベルのメカニズムに関する情報を得るの定量的および非侵襲的な方法として、反応時間の測定の使用に関心が高まっています。広く研究されてきた反応時間の一つのタイプは、サッケード待ち時間として知られている、視覚刺激の提示にサッカードを開始するのに要する時間です。サッカードは、我々は急速にある場所から別の場所に私たちの視線を移すときに発生する高速な眼球運動です。彼らは典型的には、2つまたは毎秒3の頻度で発生した、私たちが作る眼球運動の最も一般的なタイプです。各サッカードが有効で、別の²のではなく、視覚的な世界では1のキューを見て決定です。

目の動きを制御する神経経路は広く研究されており、かなりよく^3を文書化されています。敏感な電子機器を使用して、眼球運動機能の側面を正確かつobjectivelすることができyは定量化。これは、眼球運動そのものの詳細な研究を促進するだけでなく、神経生理学や病態生理の他の領域を調査するためのツールと​​して使用するためにそれらを可能にします。

眼球運動の測定は、疾患状態についての有用な情報を提供することができます。眼球運動は、最近、例えば、ハンチントン^4,5およびパーキンソン病^6,7を含む神経変性疾患の潜在的なバイオマーカーとして注目されており、十分にサッケード反応時間は、これらの条件下で通常よりも遅くなる傾向があることが確立されています。サッカード測定の潜在的な用途は、診断や病気の追跡への補助があります。サッカードのタスクは、単純なprosaccade（左または右に突然現れた視覚刺激に向かって可能な限り迅速に探している）から、このような抗サッケード（視覚刺激とは反対側に、可能な限り迅速に探して）、またはメモリ - など、より複雑な作業の範囲導かれたサッカード（探し）はもはや存在しないターゲットの思い出した場所に向かって。

脳深部刺激は、いくつかの神経疾患に対する有効な治療法です。最も一般的振戦、硬直、運動緩慢、およびジスキネジアを含むパーキンソン病の運動症状を治療するために使用されます。また、そのような強迫性障害などのあまり一般的ではないが、神経因性疼痛、てんかん、および精神医学的状態のためのジストニアと本態性振戦、およびを含む他の運動障害のために使用されます。これは、科学者は、生体内で人間の脳の深部構造への直接の電気的アクセスを持っているので、実験的な神経学のための貴重な機会を提供する唯一の設定です。種々の標的は、動眼神経経路に関与しているそれらの多くは大脳基底核内のいくつかの場所、を含む、治療される状態に応じて刺激されます。これは、研究の広い範囲は、刺激を送達するためにDBSシステムを用いて行うことができることを意味します与えられた脳位置およびアイトラッキング装置に記録し、その効果を分析します。実験パラダイムによって、このような研究は、疾患、またはDBSは、その特定の設定で作動される機構の効果を刺激される領域の生理機能についての情報を得ることができます。この記事では、脳深部刺激患者における衝動性眼球運動試験の一般的なアプローチについて説明します。

アイトラッキング装置のいくつかの異なる種類があります。このプロトコールに記載された研究のためにポータブルsaccadometer水平衝動性眼球運動を記録するために使用されました。ポータブルsaccadometersはセッションが特に厳しいジスキネジアで苦しむ人々のために、パーキンソン病の患者にとってより快適であることを意味する（ 図1参照 ）ヘッドレストを必要としないという利点を有します。ここで使用saccadometerは、軽量で約5センチ幅10センチです。 saccadometerのmeasu直接赤外線眼球運動記録法の使用による解像度の眼球運動：内側眼角の使用光の前方に位置する赤外線源とセンサは、ミリ秒間隔で眼球の回転位置を確立するために、角膜からの反射しました。分析のための良質のデータを取得するためにsaccadometerは、少なくとも12ビットの分解能を有する少なくとも1 kHzの速度でサンプリングする必要があります。ここで使用saccadometerでは視覚刺激は、によって生成された光の3赤13のcdメートル^-2スポットがあった低出力レーザーに建てられ、1正中線のスポットと±10度で、他の2といくつかの0.1度を従属各スポット（ すなわち 、 、）右と左に。

図1. Saccadometer。ヘッドsaccadometer弾性バンドに取り付けられ、鼻の橋の上に載って取り付けられました。四つのミニチュアレーザープロジェクト視標マット面上への、そして参加者の目の動きは、各眼の鼻側の差動赤外線反射率変換器によって測定されます。レーザーターゲットが頭を動かすと、ヘッドレストは必要ありません。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

Protocol

地元の倫理委員会は、セクション1で以下に詳述するように、参加者から得た同意、この研究を承認したと伝えました。

1.参加者の同意

1. テストセッションが含まれるかを詳細に説明して情報シートを持つ参加者を提供します。
2. 参加者は同意書上の各点を説明し、それらに任意の質問をする機会を与え、彼らと同意書を通過し、読み、研究では、それらの撮影部分に関連したご質問、懸念や他の問題を議論する機会を持った後、彼らが持っているかもしれません。フォームを完了するために、参加者を確認して下さい。

2. Saccadometerを設定します

1. 患者の頭部上のデバイス、調節可能な弾性ストラップで固定さと鼻の橋の上に載っを置きます。刺激が頭を正確に移動するので、全く頭拘束は必要ありません、デバイスはWEAに快適ですrを。
2. フラットマットスクリーンから1.5メートルに座って患者を確認して下さい。
3. 刺激（赤色光スポットが）明確に見られるように、周囲の照明が暗いことを確認してください。

サッカードセッションのレコーディング3.

注：例としてprosaccadesとantisaccades ⁸の両方をテストし、標準的なプロトコルはここで説明されています。 60 prosaccades、40 antisaccades×3、およびブロック間の1分の休憩で60 prosaccades：このプロトコルは、5つのブロックで構成されています。セッションは約40分続きます。

1. それが消滅し、ペリフェラルターゲットのいずれかがランダムに⁹右または左に、表示された後2.0秒、 -各試験のために中央の固視標が1.0のランダムフォア期間表示されるようにsaccadometerを設定します。
   注：3つのターゲットは、参加者の前でスクリーンに投影赤色光のスポットである（2.2参照）saccadometerに組み込ま低出力レーザーによって。 saccadometerのAUTomaticallyディスプレイにオンとオフのレーザーを切り替え/必要な配列内のターゲットを消します。
2. テストはブロック間の1分間の休憩を持つ5つのブロックで構成され、参加者に指示します。
3. 前最初のブロックに片側または他に途中から飛び降り赤い点に従うと、この60回を行うためにそれらを指示するために可能な限り迅速かつ正確に彼らの目を移動するために、参加者に指示します。
4. 60試験のシーケンスを生成するためにsaccadometerを設定します。トライアル（prosaccades）の最初のブロックを開始するためにsaccadometerのボタンを押してください。
5. 第1のブロックの終了後、第二のブロックの前に1分間のギャップを残します。 40試験のシーケンスを生成するためにsaccadometerをリセットし、1分間隔の終わりに向かって、赤い点と反対方向に可能な限り迅速に彼らの目を移動するために次のブロックのための参加者に指示し、彼らがすることを説明この40倍を行うために必要とされます。秒を開始トライアル（antisaccades）の二のブロック。
6. 第二のブロックの終了後、ステップ3.5で命令を繰り返し、試験（antisaccades）の第3のブロックを開始し、さらに1分間のギャップを残します。
7. 第3ブロックの終了後、ステップ3.5で命令を繰り返し、試験（antisaccades）の第4ブロックを開始し、さらに1分間のギャップを残します。
8. 第4ブロックの終了後、さらに1分のギャップを残して、テストの最後のブロックのために片側またはに途中から飛び降り赤い点を追従するように迅速かつ正確に可能な限り彼らの目を移動するために、参加者に求めることを説明彼らは最初のブロックでまったく同じように、他の。
9. 60試験のシーケンスを生成し、試験（prosaccades）の最後のブロックを開始するsaccadometerをリセットします。

図2.眼球運動の作業。回路図illustratiサッカードのタスクの2つの例を示した上で。固体青色のスポットは、ターゲットを表し、点線の青い円は、固定の領域を表します。LEFTは、被験者がターゲットに目を向けるように指示されるprosaccadicタスクを示している。RIGHT被験者が視覚刺激から目をそらすように頼まれる抗サッケードを示しています。これは、反対方向にサッカードのより自然なprosaccade応答および生成の阻害を必要とする。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

4.脳​​深部刺激の設定

注：脳深部刺激剤と参加者が刺激システムは、 すなわち 、通常どおりに動作していると、これまでテストを実施するために、「刺激に」データセットが得られています。試験は、現在（オフ刺激システムで繰り返される必要がありますDBSシステムのない健常対照者については、このセクションでは）適用されません。

1. DBSシステムのスイッチをオフにします。訓練を受けた臨床スタッフによってこれを行います。試験前に30分を許可します。
2. 完全な「刺激オフ」データセットを得るために - 衝動性のテストを繰り返して（3.9 3.2ステップ）。
3. バック（再び、これは適切な訓練を受けた医療スタッフによって行われるべきである）上のDBSシステムを切り替えます。

5.データ解析

注：脳深部刺激剤と参加者が刺激システムは、 すなわち 、通常どおりに動作していると、これまでテストを実施するために、「刺激に」データセットが得られています。テストは今刺激システムで繰り返される必要がある（このセクションは適用されませんDBSシステムなしで健常対照者のために）オフ。

1. 分析のためにコンピュータにsaccadometerからの生データをダウンロードしてください。
2. サッカードを除外するためにsaccadometerのソフトウェアプログラムを使用しdistor点滅し、頭の動きによりテッド、そしてサッカード潜時、ピーク速度、および振幅などの変数を計算します。
   注意：過度の頭の動きや点滅によって汚染されたレコードは、ソフトウェアによって自動的に削除されます。
   1. 80ミリ秒または千ミリ秒より大きい未満のレイテンシでサッカードを削除してください。
      注：サッカード待ち時間は、速度および加速度に基づいて、サッケード検出アルゴリズムを用いて自動的に計算されます。サッケードの開始は眼速度が5度/秒の閾値を超えた時点として特定されます。

Representative Results

図3は、移植視床下核DBSシステムとパーキンソン病患者から、衝動性眼球運動の軌跡の一例を示す図です。刺激システムがオフ（上のグラフ）と（下のグラフ）に切り替えて二つのグラフは、患者のprosaccadesをプロットします。グラフ上の各トレースは度で目の位置が離れて正中線（y軸）からの時間（x軸）の関数として変化する、すなわち、どのように、単一のサッカードの軌跡を示しています。左右どちらのサッカードは、正程度の値に振れとしてグラフに示されています。時間ゼロは、中央ターゲットが消え、周辺ターゲットが表示された瞬間です。これとサッカード（トレースがゼロ度から偏向モーメント）の開始との間の間隔は、サッケード待ち時間と呼ばれ、主観察は、刺激がオンにされたときにサッカードの分布のReduと、変更されることです長い待ち時間のサッカードの数と平均待ち時間の対応する減少でction。

図3 Prosaccadic軌跡これは、視床下核の脳深部刺激を受けた後のパーキンソン病患者の衝動性眼球運動遅延の結果を示す。結果 。刺激がオフされたときにUPPERは、患者の待ち時間プロファイルを示す下位の待ち時間プロファイルを示します刺激がオンになっている同じ患者。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

Discussion

良質衝動性データを得るための最も重要な要因は、参加者に与えられた指示は明確かつ正確であることを保証することです。 antisaccadic作業の指示が完全に明らかにされていない場合たとえば、参加者が代わりにprosaccadesを実行する可能性があります。参加者が明らかに刺激またはsaccadometerが正確に目の位置を測定することはできません見ることができない場合は録画も台無しにすることができます。データが低品質であると思われる場合はこのように実験者は、周囲の光が明るすぎないことを確認する必要がありますとsaccadometerは、鼻の橋の上で適切に座っていること。

脳深部刺激は大脳基底核の様々な場所での神経活動を直接変更することができます。正確かつ客観的に目の動きを定量化することができる装置と連結され、DBSは、これらの脳領域の正常および異常な機能を調査するために使用することができます。

実験DBSと一緒にsaccadometryを使用すると、多くの場合、同時に未知の複数と競合しなければなりません。検討中の脳を変数程度に罹患している、と我々は、ニューロンの封鎖を脱分極、特定のためのDBSは、対象地域内のニューロンの活性化を含む仮説で、その効果を達成するメカニズムを知らない、求心性の刺激および/または遠心性軸索、およびネットワークアクティビティの詳細複雑な効果。

神経変性疾患を有する被験体は薬物療法で頻繁にあり、これはDBSのシステムを持っているPD患者と患者のためのほぼ普遍的なになります。サッカードは、抗パーキンソン病薬の影響を受けている、とDBSをオフにDBSでテストしたときに衝動性パラメータに対するDBSの効果の有効な評価を行うために、投薬状態が類似していなければなりません。これは、（事前に休薬期間を含む）テストの期間中、すべての薬を対象外持つ、あるいは及びo-DBSに導電性のいずれかを意味します時間の適度に短い期間内にFF-DBSテスト。サッカードのDBSの影響から身に着けている完全には数時間を要することなく、変化のほとんどは^、30〜10分以内に起こることが示されています。時間経過ははるかに長時間の（ 例えば、タンパク質合成）に非常に速い（電気的効果）から、異なる時間のコースで複数のメカニズムを示唆しています。 30分には、したがって、DBS誘発される変化の大部分をキャプチャするプロトコルで提案され、数時間の典型的な投与間隔よりもはるかに短いです。遅いメカニズムが定常状態に落ち着くために、より長い間隔で再検査すると、これらのメカニズムへの洞察を提供するのに有用であり得ることが十分な時間を与えるものではありません。上のテスト中に長いギャップを有するものは、その投薬レベルを想定していない可能性があり、DBSオフ従って、より長い間隔が薬をオフにテストするときに解釈するのが容易である可能性が高い、ほぼ同様でした。

EFに関する文献の大半眼球運動に対するDBSのfectsは、PDにおける視床下核の高頻度刺激に焦点を当てています。 STN DBSは、実質的に（議論に開いたまま正確にどのように）正常値に向かってそれを減少させることができることProsaccadic待ち時間がPDに延長され、それは十分に確立されています。しかしsaccadometryがリード挿入の数時間から数日以内に、術後早期に行われ、電気刺激がオンにされる前に、待ち時間が実際に^11に増加していることが判明した場合。電極の挿入は、浮腫を引き起こし、これはすぐに電極周囲の脳の一時的な機能アブレーションにつながります。これは数週間以内に落ち着くと衝動性のパラメータは、（術後今回が沈降することを可能にする刺激物質は、一般的に数週間まで、オンにされていない）にベースラインに戻ります。それは理論の一つは、以前にどのように説明するために進んでいることを示しているため、電極の挿入と刺激の効果のoppositenessは、非常に興味深いですDBSが動作している、刺激された構造（ すなわち 、機能的切除）の遮断により、総合的にその作用メカニズムを説明することはできません。他の研究では、同様の効果^12-14を発見^しました。

正常な生理機能を調査するためにDBS及びsaccadometryを組み合わせた実験を構築することが可能です。実験対象は、必ずしもいくつかの神経学的状態を持っているので、細心の注意は、実験計画および結果の解釈に注意する必要があります。一つのアプローチは、DBSのない健康な対照参加者からの結果にDBSオフとオン衝動性試験の結果を比較することです。それらの刺激とDBS被験者の結果はオフコントロールのものと似て起動すると、DBSに応答して見られる眼球運動実験場合に見られるものに類似する可能性があるの変化に基づいて進行するのが妥当です疾患のない参加者で行うことができます。例えば、プロでのパフォーマンス視覚刺激が他方より一方の側に表示される可能性が高くなるように設定されているサッカードタスクは、代わりにSTN DBSシステムと健康な参加者とPD患者のために似ていますが、オフになって。レイテンシは、ターゲットが表示され、可能性が低い方向に長くする可能性が高い方向にサッカードのために短縮します。システムがオンになっている場合には、可能性が低い方向での待ち時間の延長が消え、解釈は、STNは確率正規化関数^15を実行^しているということでした。この研究における患者は、PDを持っていたが、それは結果とは直接関係はありませんでした。もちろん、これは重要な前提であり、病気、それがベースラインパフォーマンスに影響しなかったにもかかわらず、DBSに対する応答を調節することが可能です。また、オフDBS及び制御データの類似度が測定される代償機構ではなく、パラメータの病状の効果の欠如の結果であり得ます。結果はint型でなければなりませんこれを念頭においてerpreted。

プロトコルに記載の基本的な技術を習得された後のアプローチは、より複雑なパラダイムに拡張することができます。多くの異なるサッカードのタスクは、前の段落で説明した確率ベースのタスクがちょうど1となっている開発されています。さらなる例としては、メモリ導かれたサッカードが¹⁶または大脳辺縁系の機能^17を起動するために設計された報酬ベースの衝動性のタスク（もはや存在しない刺激の思い出した場所に向かって見て）が挙げられます。

ここでは、最も単純なサッカードのタスクの1、10度を視覚的に案内され、水平ステップのタスクを記載しています。タスクの多くの変更は、このような固定点の消失および周辺ターゲット外観^18-20または固定点と横ターゲットが同時に存在するオーバーラップ²¹との間に時間的なギャップを挿入するなどが可能です。この種のパラダイムをsを理解するために使用されていますaccadic開始と神経相関は、前頭目のフィールド^20,22および上丘²³で観察されています。異なるサッカードパラダイムの様々な用途の詳細については、この記事の範囲を超えています。レビューのために^1を参照^してください。

SaccadometryはDBSでの使用外の幅広い用途があります。サッカード経路は、大脳基底核の複数の部分を含んでおり、衝動性の変化は、これらの構造の機能を摂動損害または任意の状態のための潜在的なバイオマーカーです。 Saccadometry例えばPD、ハンチントン病、前頭側頭型認知症などの神経変性疾患、筋萎縮性側索硬化症ならびに頭部損傷および肝性脳症を含む代謝性疾患に使用するために検討されています。

結論として、saccadometryは、それ自体で有用な定量的なツールですが、脳深部刺激とそれを組み合わせることexperimenの範囲を広げます健康と病気の両方で脳機能に新たな光を当てることがありタルアプローチ。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Saccadometer device	Ober Consulting Poland
Computer with Windows environment
Software, Latency Meter for downloading the raw data from the saccadometer