Introduction
I de senere år har der været stigende interesse for brugen af målinger af reaktionstider som en kvantitativ og ikke-invasiv måde at få oplysninger om mekanismerne for neural beslutningstagning 1 på højt niveau. En type reaktionstid, der er blevet undersøgt grundigt, er den tid det tager at starte en saccade mod forevisning af en visuel stimulus, kendt som saccadiske latenstid. Saccades er de hurtige øjenbevægelser der opstår, når vi hurtigt skifte blikket fra et sted til et andet. De er den mest almindelige type af øjenbevægelser vi laver, der forekommer ved en frekvens på typisk to eller tre pr sekund. Hver saccade i realiteten er en beslutning om at se på en cue i den visuelle verden frem for en anden to.
De nervebaner, der styrer øjenbevægelser er blevet undersøgt grundigt, og er ret veldokumenteret 3. Brug følsomt elektronisk udstyr, kan aspekter af oculomotor funktion være præcist og objectively kvantificeret. Dette letter detaljeret undersøgelse af øjenbevægelser selv, men også giver dem mulighed for at blive brugt som et redskab til at undersøge andre områder af neurofysiologi og patofysiologi.
Øjenbevægelser måling kan give nyttige oplysninger om sygdomstilstande. Saccadiske øjenbevægelser nylig har f.eks fået megen opmærksomhed som potentielle biomarkører i neurodegenerative lidelser, herunder Huntingtons 4,5 og Parkinsons sygdomme 6,7, og det er velkendt, at saccadiske reaktionstider tendens til at være langsommere end normalt i disse betingelser. Potentielle anvendelser af saccadiske måling omfatter hjælpemidler til diagnose og sygdom tracking. Saccadiske opgaver spænder fra det enkle prosaccade (ser så hurtigt som muligt i retning af en pludselig optræder visuel stimulans til venstre eller højre) til mere komplekse opgaver som f.eks antisaccade (ser så hurtigt som muligt til den modsatte side til en visuel stimulus) eller hukommelses- guidet saccade (sermod husket placeringen af et mål, der ikke længere er der).
Deep brain stimulation er en effektiv behandling i adskillige neurologiske tilstande. Det er mest almindeligt anvendt til behandling af motoriske symptomer på Parkinsons sygdom, herunder tremor, rigiditet, bradykinesi, og dyskinesi. Det er også anvendes til andre bevægelsesforstyrrelser herunder dystoni og essentiel tremor, og mindre almindeligt for neuropatisk smerte, epilepsi, og psykiatriske tilstande såsom obsessiv kompulsiv lidelse. Det er den eneste indstilling, hvor forskerne har direkte elektrisk adgang til dybe strukturer i den menneskelige hjerne in vivo og tilbyder således en værdifuld mulighed for eksperimentel neurologi. En række mål stimuleres afhængig af den tilstand, der behandles, herunder flere steder i de basale ganglier, hvoraf mange er involveret i oculomotor pathways. Det betyder, at en lang række undersøgelser kan udføres under anvendelse af DBS systemet til at levere stimulationtil en given hjerne placering og en eye tracking enhed til at registrere og analysere dens virkninger. Afhængigt af den eksperimentelle paradigme, kan sådanne undersøgelser give information om fysiologi i regionen der stimuleres, virkningerne af sygdommen, eller den mekanisme, hvormed DBS arbejder i denne særlige indstilling. Denne artikel beskriver en generel tilgang til saccadiske øjenbevægelser test i Deep Brain Stimulation patienter.
Flere forskellige typer af eye tracking udstyr er til rådighed. For den forskning, der er beskrevet i denne protokol en bærbar saccadometer blev brugt til at optage vandrette saccadiske øjenbevægelser. Bærbare saccadometers har den fordel ikke at kræve nakkestøtte (se figur 1), hvilket betyder, at sessioner er mere komfortabel for patienter med Parkinsons sygdom, især for dem, der lider med svær dyskinesier. Den saccadometer bruges her er let og ca. 5 cm bred og 10 cm høj. Den saccadometer measures øjenbevægelser ved brug af direkte infrarød oculography: en infrarød kilde og føler placeret foran den mediale øjenkrog anvendelse lys reflekteret fra hornhinden for at etablere rotationspositionen for øjeæblet ved millisekund mellemrum. For at opnå god kvalitet data til analyse af saccadometer bør prøve med en hastighed på mindst 1 kHz med mindst en 12 bit opløsning. I saccadometer bruges her de visuelle stimuli var tre røde 13 cd m-2 pletter af lys fra indbygget lav effekt lasere, hver plet ses under nogle 0,1 grader, med en plet i midterlinjen og de to andre på ± 10 grader (dvs. , til højre og venstre).
Figur 1. Saccadometer. Hovedmonterede saccadometer knyttet til en elastik og hvilende på næseryggen. Fire miniature lasere projekt visuelle måls på en mat overflade, og deltagerens øjenbevægelser måles ved differential infrarød reflektans transducere på den nasale side af hvert øje. Som laser mål bevæger sig med hovedet, nakkestøtter er ikke påkrævet. Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Den lokale etiske komité godkendt denne undersøgelse og informeret samtykket blev opnået fra deltagerne som beskrevet nedenfor i afsnit 1.
1. Deltager Samtykke
- Giv deltagerne et oplysningsskema, der forklarer i detaljer, hvad test session vil omfatte.
- Efter at deltagerne har mulighed for at læse og drøfte eventuelle spørgsmål, bekymringer eller andre spørgsmål i forbindelse med deres deltagelse i undersøgelsen, gå gennem samtykkeerklæring med dem, forklarer hvert punkt på samtykkeerklæring og give dem mulighed for at stille spørgsmål de måtte have. Spørg deltageren at udfylde formularen.
2. Opsætning af Saccadometer
- Placer enheden på patientens hoved, sikret ved en justerbar elastisk strop og hvilende på næseryggen. Fordi stimuli bevæger nøjagtigt med hovedet, hovedet ikke-begrænsning er nødvendig, og indretningen er behagelig at ifÃr.
- Bed patienten til at sidde på 1,5 m fra en flad mat skærm.
- Sørg for, at den omgivende belysning er dim så stimuli (rødt lys spots) ses tydeligt.
3. Optagelse af et saccadiske Session
Bemærk: Som et eksempel en standardprotokol, der tester både prosaccades og antisaccades 8 beskrives her. Denne protokol består af fem blokke: 60 prosaccades, 40 antisaccades x 3, og 60 prosaccades med en pause på 1 min mellem blokkene. Sessionen varer omkring 40 min.
- Opstil saccadometer så for hvert forsøg, vises den centrale fiksering mål for en tilfældig forgrunden-periode på 1,0 - 2,0 sek, hvorefter den er slukket, og en af de perifere mål vises, tilfældigt til højre eller venstre 9.
Bemærk: De tre mål er pletter af rødt lys projiceret op på skærmen foran deltageren (se 2.2) ved lave drevne lasere indbygget i saccadometer. Den saccadometer automatically skifter lasere og slukker til display / slukke målene i den nødvendige rækkefølge. - Instruer den deltager, test består af fem blokke med et minuts pause mellem blokkene.
- Forud for den første blok instruere deltageren til at flytte deres øjne så hurtigt og præcist som muligt at følge den røde prik hoppe fra midten til den ene eller den anden, og instruere dem i at gøre dette 60 gange.
- Indstil saccadometer at generere en sekvens af 60 forsøg. Tryk på knappen på saccadometer at starte den første blok af forsøg (prosaccades).
- Efter afslutning af den første blok, efterlade en et minuts mellemrum før den anden blok. Nulstille saccadometer at generere en sekvens af 40 forsøg, og mod slutningen af det ene minut hul, instruere deltager for den næste blok til at flytte deres øjne så hurtigt som muligt i den modsatte retning til den røde prik, og forklare, at de vil være forpligtet til at gøre dette 40 gange. Start second blok af forsøg (antisaccades).
- Efter afslutningen af den anden blok, efterlade en yderligere 1 min mellemrum, gentag instruktion i trin 3.5 og starte den tredje blok af forsøg (antisaccades).
- Efter afslutning af det tredje blok, efterlade en yderligere 1 min mellemrum, gentag instruktion i trin 3.5 og start fjerde blok af forsøg (antisaccades).
- Efter afslutningen af den fjerde blok, efterlade en yderligere 1 min mellemrum, og forklare, at for den sidste blok af tests bede deltagerne om at flytte deres øjne så hurtigt og præcist som muligt at følge den røde prik hoppe fra midten til den ene eller den andre, præcis som de gjorde i den første blok.
- Nulstil saccadometer til at generere en sekvens af 60 forsøg, og starte den sidste blok af forsøg (prosaccades).
Figur 2. Eye Movement Opgaver. Skematisk illustratipå at vise to eksempler på saccadiske opgaver. Det faste blå plet repræsenterer målet og den stiplede blå cirkel repræsenterer området for fiksering. VENSTRE viser en prosaccadic opgave, hvor emnet bliver bedt om at kigge i retning af målet. HØJRE viser et antisaccade hvor motivet bliver bedt om at kigge væk fra den visuelle stimulus . Dette kræver hæmning af mere naturlige prosaccade reaktion og generering af en saccade i den modsatte retning. Klik her for at se en større version af dette tal.
4. deep brain stimulation Indstillinger
Bemærk: For deltagere med dybe hjerne stimulatorer udføre test hidtil med stimulator system, der kører som normalt, dvs., er der opnået en 'på stimulation' datasæt. Test skal nu gentages med stimulatoren systemet slukket (for raske kontrolpersoner deltagere uden DBS systemer dette afsnit gælder ikke).
- Sluk for DBS systemet slukket. Gør dette ved en uddannet klinisk personale. Tillad 30 minutter før testning.
- Gentag saccadiske test (trin 3,2-3,9) for at opnå en komplet 'off stimulation "datasæt.
- Tænd for DBS systemet igen (igen dette bør gøres af behørigt uddannet klinisk personale).
5. Data Analysis
Bemærk: For deltagere med dybe hjerne stimulatorer udføre test hidtil med stimulator system, der kører som normalt, dvs., er der opnået en 'på stimulation' datasæt. Test skal nu gentages med stimulatoren systemet slukket (for raske kontrolpersoner deltagere uden DBS systemer dette afsnit vil ikke betaling).
- Hente de rå data fra saccadometer til en computer til analyse.
- Brug saccadometer software program til at udelukke saccades fordrejeted ved blinker, og hoved bevægelser, og til at beregne variabler, herunder saccadiske ventetid, peak hastigheder og amplituder.
Bemærk: Records forurenet med store hoved bevægelser eller blinker fjernes automatisk af softwaren.- Fjern saccades med ventetid på under 80 ms eller større end 1.000 ms.
Bemærk: saccadiske latenstid En computer automatisk ved hjælp af en saccade-afsløring algoritme baseret på hastighed og acceleration. Starten af et saccade identificeres som det punkt, når øjet hastigheden overstiger en tærskel på 5 grader / sek.
- Fjern saccades med ventetid på under 80 ms eller større end 1.000 ms.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 3 viser et eksempel på saccadiske øjenbevægelser baner, fra et patienten med Parkinsons sygdom med en nucleus subthalamicus DBS-system implanteret. De to grafer plotte patientens prosaccades med stimulatoren systemet slukket (øverste graf) og tændt (nederste graf). Hvert spor på graferne viser bane af en enkelt saccade, dvs. hvor øjet position i grader væk fra midterlinjen (y-akse) varierer som funktion af tid (x-akse). Både mod venstre og er højregående saccades vises på grafen som omlægninger til positive grad værdier. Tiden nul er det øjeblik, at det centrale mål forsvinder, og den perifere mål synes. Intervallet mellem dette og påbegyndelsen af den saccade (det tidspunkt, hvor spor afbøjer fra nul grader) betegnes saccadiske latency, og den vigtigste observation er, at fordelingen af saccades ændres når stimulatoren er tændt, med en reduIndsatsen i antallet af lange latenstid saccades og et tilsvarende fald i den gennemsnitlige latenstid.
Figur 3. Prosaccadic Trajectory Resultater. Dette viser de saccadiske øjenbevægelser latency resultater fra en Parkinsons patient efter undergår deep brain stimulation af nucleus subthalamicus. UPPER viser latens profil af patienten, når stimulatoren er slukket LOWER viser latens profil samme patient når stimulatoren er tændt. klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den mest kritiske faktor i at opnå saccadiske data af god kvalitet er at sikre, at instrukserne til deltageren er klare og præcise. For eksempel, hvis vejledningen til antisaccadic opgave er ikke helt klart, at deltageren er sandsynligvis til at udføre prosaccades stedet. Optagelser kan også være forkælet, hvis deltageren ikke tydeligt kan se de stimuli eller saccadometer kan ikke præcist måle øjenhøjde. Så hvis dataene synes at være af lav kvalitet forsøgslederen skal kontrollere, at det omgivende lys er ikke for lyst, og at saccadometer sidder korrekt på næseryggen.
Deep brain stimulation muliggør direkte modifikation af neural aktivitet ved en forskellige steder i basalganglierne. Kombineret med udstyr, der præcist og objektivt kan kvantificere øjenbevægelser, kan DBS anvendes til at undersøge den normale og unormale funktion af disse områder i hjernen.
Eksperimenterunder anvendelse saccadometry sammenholdt med DBS må ofte kæmpe med mere end en ukendt samtidigt. Hjernerne under undersøgelsen er syge til en variabel grad, og vi ved ikke, med sikkerhed den mekanisme, hvormed DBS opnår dens virkninger, med hypoteser, herunder aktivering af neuroner i det pågældende område, depolariserende blokade af neuroner, stimulering af afferente og / eller efferente axoner og mere komplekse effekter på netværksaktivitet.
Individer med neurodegenerative lidelser er ofte på medicin, og dette vil være næsten universel for patienter med PD patienter, som har DBS systemer. Saccades påvirkes af antiparkinson medicin, og for at gøre en gyldig vurdering af virkningerne af DBS på saccadiske parametre, skal medicinering tilstand være ens ved test med DBS på og DBS off. Det betyder enten at have emnet fra alle medicin for varigheden af test (herunder en tilbageholdelsestid på forhånd), eller også ledende on-DBS og off-DBS tests inden for en rimelig kort periode. Det har vist sig, at den fuldstændige iført off af virkningerne af DBS på saccades tager flere timer, men at de fleste af ændringen finder sted inden for 30 min 10. Tidsforløbet foreslår flere mekanismer med forskellige tidsforløb, fra meget hurtige (elektriske virkninger) til meget mere langvarig (f.eks proteinsyntese). De 30 minutter foreslået i protokol vil derfor fange det meste af DBS inducerede ændring, og er meget kortere end den typiske doseringsinterval på flere timer. Det giver ikke tilstrækkelig tid til de langsommere mekanismer til at bosætte sig på steady state, og efterprøvning med længere intervaller kan være nyttige i at give indsigt i disse mekanismer. Med længere mellemrum man ikke kunne antage, at medicin niveauer mens teste og slukkes DBS var omtrent ens, og dermed længere intervaller vil sandsynligvis være lettere at fortolke ved test uden medicin.
Det meste af litteraturen om efeffekter af DBS om øjenbevægelser har fokuseret på høj frekvens stimulering af nucleus subthalamicus i PD. Prosaccadic latenstid er forlænget i PD og det er velkendt, at STN DBS væsentligt kan reducere det mod normale værdier (præcis, hvordan fortsat åben for forhandling). Men når saccadometry udføres i den tidlige postoperative periode, inden for timer til dage af bly indføring og før elektrisk stimulation er slået til, er det konstateret, at latenstider er faktisk steget 11. Elektrode insertion forårsager ødem og dette vil føre til midlertidige funktionelle ablation af hjernen umiddelbart omgiver elektroden; dette afregner inden for et par uger, og saccadiske parametre vender tilbage til baseline (stimulatorer er almindeligt ikke tændt indtil for et par uger postoperativt for at give denne tid til at bosætte). Den oppositeness af virkningerne af elektroden indføring og stimulering er af betydelig interesse, fordi det viser, at en af de teorier, der tidligere fremført at forklare, hvordanDBS fungerer, ved blokade af den stimulerede struktur (dvs. funktionel ablation), kan ikke udtømmende forklare dets virkningsmekanisme. Andre undersøgelser har vist lignende effekter 12-14.
Det er muligt at konstruere eksperimenter kombinerer DBS og saccadometry at undersøge den normale fysiologi. Stor omhu skal tages med eksperimentelt design og fortolkning af resultater, fordi den eksperimentelle emne nødvendigvis har nogle neurologisk tilstand. En fremgangsmåde er at sammenligne resultaterne af saccadiske test med DBS og tænde for resultater fra raske kontrolpersoner deltagere uden DBS. Hvis resultaterne i DBS forsøgspersoner med deres stimulatorer off drejede ligner i kontrol, så er det rimeligt at gå ud fra, at ændringer i øjenbevægelser ses som reaktion på DBS sandsynligvis vil svare til dem, der ville ses, hvis eksperimentet kunne gøres i deltagere uden sygdom. For eksempel ydeevne i en prosaccade opgave, som er blevet sat op, så den visuelle stimulus er mere tilbøjelige til at blive vist på den ene side end den anden, er den samme for sunde deltagere og PD patienter med STN DBS systemer på plads, men slukket. Ventetid forkorte for saccades i den retning, hvor målet er mere tilbøjelige til at blive vist, og forlænge i mindre sandsynligt retning. Når systemerne er tændt, forlængelse af ventetid i mindre sandsynligt retning forsvinder, og den fortolkning, var, at STN udfører en sandsynlighed normalisering funktion 15. Patienterne i dette studie havde PD, men det var ikke direkte relevant for resultatet. Selvfølgelig er det en væsentlig forudsætning, og det er muligt, at sygdommen modulerer reaktion på DBS, selv om det ikke påvirkede baseline performance. Endvidere kan ligheden af styredata off-DBS og være resultatet af kompenserende mekanismer snarere end en mangel på effekt af patologi på de parametre, som måles. Resultaterne skal være interpreted med dette i tankerne.
Når de grundlæggende teknikker beskrevet i protokollen er blevet mestret fremgangsmåde kan udvides til mere komplekse paradigmer. Mange forskellige saccadiske opgaver er blevet udviklet, hvoraf sandsynligheden baseret opgave er beskrevet i det foregående afsnit er blot én. Yderligere eksempler omfatter hukommelse guidede saccades 16 (ser mod husket placeringen af en stimulus, der ikke længere er der) eller belønning-baserede saccadiske opgaver designet til at påberåbe sig limbiske funktion 17.
Her har vi beskrevet en af de enkleste saccadiske opgaver, en 10-graders visuelt guidet vandret trin opgave. Mange modifikationer af opgaven er mulige, såsom at indsætte en tidsmæssig afstand mellem fiksering point forsvinden og perifer mål udseende 18-20 eller et overlap 21, hvor fiksering point og lateral mål er til stede på samme tid. Paradigmer denne art er blevet anvendt for at forstå saccadic initiering og neurale korrelater er observeret i de frontale øjet felter 20,22 og den overlegne colliculus 23. En detaljeret diskussion af de forskellige anvendelser af forskellige saccadiske paradigmer ligger uden for rammerne af denne artikel; for en gennemgang se en.
Saccadometry har bred anvendelse uden for dets brug i DBS. Saccadiske veje involverer flere dele af basalganglierne og saccadiske ændringer er en potentiel biomarkør for enhver tilstand, der skader eller forstyrrer funktionen af disse strukturer. Saccadometry har for eksempel været undersøgt til anvendelse ved neurodegenerative tilstande, herunder PD, Huntingtons sygdom, frontotemporal demens, amyotrofisk lateral sklerose samt i hovedlæsion og i metaboliske lidelser, herunder hepatisk encefalopati.
Afslutningsvis saccadometry er et nyttigt kvantitativt værktøj alene, men kombinere det med deep brain stimulation åbner op for en række Experimenlæggende tilgange, der kan kaste nyt lys på hjernens funktion i både sundhed og sygdom.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 |
References
- Leigh, R. J., Kennard, C. Using saccades as a research tool in the clinical neurosciences. Brain. 127, 460-477 (2004).
- Carpenter, R. H.
- Leigh, R. J., Zee, D. S. The Neurology of Eye Movements. , Oxford University Press. New York. (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, R. D., Kirkwood, S. C., Hake, A. M., Stout, J. C., Weaver, M. R., Foroud, T. M. Oculomotor control in asymptomatic and recently diagnosed individuals with the genetic marker for Huntington's disease. Vision Research. 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. . 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, 412-414 (2008).
- Antoniades, C. A., et al. Deep brain stimulation abolishes slowing of reactions to unlikely stimuli. J Neurosci. 34, 10844-10852 (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.
- 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).
