Introduction
Nos últimos anos, tem havido um interesse crescente na utilização de medidas de tempos de reacção de uma maneira quantitativa e não-invasiva de obter informação sobre os mecanismos de alto nível de decisão neural fazendo um. Um tipo de tempo de reação que tem sido estudado extensivamente é o tempo necessário para iniciar uma saccade mediante a apresentação de um estímulo visual, conhecido como latência sacádica. Sacadas são os movimentos oculares rápidos que ocorrem quando mudamos rapidamente o olhar de um lugar para outro. Eles são o tipo mais comum de movimentos oculares fazemos, ocorrendo com uma frequência de, tipicamente dois ou três por segundo. Cada saccade está em vigor a decisão de olhar para uma sugestão no mundo visual em vez de outro 2.
As vias neurais que controlam os movimentos oculares têm sido estudados extensivamente e são razoavelmente bem documentado 3. Usando equipamentos eletrônicos sensíveis, aspectos da função oculomotor pode ser precisa e objectively quantificado. Isto facilita o estudo detalhado dos próprios movimentos dos olhos, mas também permite que eles sejam utilizados como uma ferramenta para investigar outras áreas de neurofisiologia e patofisiologia.
medição de movimento dos olhos pode fornecer informações úteis sobre estados de doença. Movimentos oculares Sacádicos recentemente, por exemplo, recebido muita atenção como potenciais biomarcadores em doenças neurodegenerativas, incluindo a doença de Huntington e Parkinson 4,5- 6,7, e que está bem estabelecido que os tempos de reacção saccadic tendem a ser mais lento do que o normal em tais condições. Os usos potenciais de medida sacádica incluem ajudas ao diagnóstico e acompanhamento da doença. Sacádicos tarefas vão desde o simples prosaccade (procura tão rapidamente quanto possível no sentido de um estímulo visual de repente aparece para a esquerda ou para a direita) para tarefas mais complexas, tais como o antisaccade (procura tão rapidamente quanto possível para o lado oposto a um estímulo visual) ou memória- saccade guiada (olhandopara o local lembrava de um alvo que não está mais lá).
A estimulação cerebral profunda é um tratamento eficaz para várias condições neurológicas. É mais comumente utilizados para tratar os sintomas motores da doença de Parkinson, incluindo tremor, rigidez, bradicinesia, e discinesia. É também usado para outros distúrbios de movimento, incluindo distonia e tremor essencial, e menos comummente para a dor neuropática, epilepsia, e doenças do foro psiquiátrico tais como desordem obsessiva compulsiva. É o único cenário em que os cientistas têm acesso eléctrica directa a estruturas profundas do cérebro humano in vivo e, portanto, oferece uma oportunidade preciosa para a neurologia experimental. Uma variedade de alvos são estimulados dependendo do estado a ser tratado, incluindo vários locais nos gânglios basais, muitos dos quais estão envolvidos em vias oculomotores. Isto significa que uma ampla gama de estudos podem ser realizados utilizando o sistema de DBS para fornecer estimulaçãopara um determinado local do cérebro e um dispositivo de rastreamento ocular para registrar e analisar seus efeitos. Dependendo do paradigma experimental, tais estudos podem fornecer informações sobre a fisiologia da região a ser estimulada, os efeitos da doença, ou o mecanismo pelo qual o DBS estar trabalhando em que determinada configuração. Este artigo descreve uma abordagem geral para o teste os movimentos oculares sacádicos em pacientes Estimulação Cerebral Profunda.
Vários tipos diferentes de equipamentos de rastreamento ocular estão disponíveis. Para a pesquisa descrita neste protocolo a saccadometer portátil foi usado para gravar horizontais movimentos oculares sacádicos. Saccadometers portáteis têm a vantagem de não necessitar de apoio de cabeça (ver Figura 1), o que significa que as sessões são mais confortável para os pacientes com doença de Parkinson, especialmente para aqueles que sofrem com discinesias graves. O saccadometer usada aqui é leve e cerca de 5 cm de largura e 10 cm de altura. O measu saccadometerres movimentos do olho através da utilização de oculografia infravermelho directo: uma fonte de infra-vermelho e o sensor posicionado em frente da luz utilização canto medial reflectida a partir da córnea para determinar a posição de rotação do globo ocular, a intervalos de milissegundos. A fim de adquirir dados de boa qualidade para a análise deve saccadometer amostra a uma taxa de pelo menos 1 kHz com, pelo menos, uma resolução de 12 bits. No saccadometer usados aqui os estímulos visuais foram três vermelhos 13 cd m -2 pontos de luz produzida por construída em lasers de baixa potência, cada ponto que subtende algumas 0,1 graus, com um ponto na linha média e os outros dois em ± 10 graus (ou seja, , para a direita e esquerda).
Figura 1. A Saccadometer. Cabeça montado saccadometer ligado a um elástico e que descansa sobre a ponte do nariz. Quatro lasers em miniatura projetar alvo visuals para uma superfície mate, e os movimentos dos olhos do participante são medidos pelos transdutores diferenciais de reflectância de infravermelhos no lado nasal de cada olho. À medida que os alvos a laser se mover com a cabeça, apoios de cabeça não são necessários. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Protocol
O comitê de ética local aprovou este estudo e informado consentimento foi obtido dos participantes, conforme detalhado abaixo na seção 1.
Consentimento 1. Participante
- Proporcionar aos participantes uma folha informativa que explica em detalhe o que a sessão de testes irá incluir.
- Depois que os participantes têm a oportunidade de ler e discutir quaisquer questões, preocupações ou outros assuntos relacionados à sua participação no estudo, percorrer o formulário de consentimento com eles, explicando cada ponto no formulário de consentimento e dando-lhes a oportunidade de fazer todas as perguntas eles poderiam ter. Peça ao participante para preencher o formulário.
2. Configurando o Saccadometer
- Colocar o dispositivo sobre a cabeça do paciente, garantido por uma cinta elástica ajustável e que descansa sobre a ponte do nariz. Porque os estímulos mover exatamente com a cabeça, sem cabeça-contenção é necessária e o dispositivo é confortável de wear.
- Peça ao paciente para se sentar em 1,5 m de uma tela fosca plana.
- Certifique-se de que a iluminação ambiente é fraca para que os estímulos (manchas de luz vermelha) são claramente vistos.
3. gravação de uma sessão sacádica
Nota: Como um exemplo de um protocolo padrão que testa ambos prosaccades e antisaccades 8 é descrito aqui. Este protocolo consiste em cinco blocos: 60 prosaccades, 40 antisaccades x 3 e 60 prosaccades com um intervalo de 1 min entre os blocos. A sessão dura cerca de 40 min.
- Configure o saccadometer de modo que para cada ensaio o alvo de fixação central é exibida para um frente-período aleatório de 1,0-2,0 segundos, após o que se extingue e um dos alvos periféricos aparecer, aleatoriamente para a direita ou para a esquerda 9.
Nota: Os três alvos são pontos de luz vermelha projetadas na tela na frente do participante (ver 2.2) por lasers de baixa potência construídas no saccadometer. A aut saccadometermuda omatically os lasers e desligam para display / extinguir as metas na sequência necessário. - Instruir o participante que o teste consiste em cinco blocos com um intervalo de um minuto entre blocos.
- Antes do primeiro bloco instruir o participante a mover os olhos tão rapidamente e com precisão quanto possível para seguir o ponto vermelho que salta do centro para um lado ou para o outro e instruí-los a fazer isso 60 vezes.
- Defina o saccadometer para gerar uma sequência de 60 ensaios. Pressione o botão no saccadometer para iniciar o primeiro bloco de tentativas (prosaccades).
- Após a conclusão do primeiro bloco, deixar um intervalo de um minuto antes de o segundo bloco. Redefinir o saccadometer para gerar uma sequência de 40 ensaios, e para o fim de um gap minuto, instruir o participante para o próximo bloco de mover os olhos o mais rápido possível na direção oposta ao ponto vermelho, e explicar que eles vão ser obrigado a fazer isso 40 vezes. Comece o secbloco ond de tentativas (antisaccades).
- Depois de se completar o segundo bloco, deixar mais 1 min lacuna, repetir a instrução no passo 3.5 e iniciar o terceiro bloco de tentativas (antisaccades).
- Depois de se completar o terceiro bloco, deixar mais 1 min lacuna, repetir a instrução no passo 3.5 e iniciar o quarto bloco de tentativas (antisaccades).
- Após a conclusão do quarto bloco, deixe mais 1 min lacuna, e explicar que, para o bloco final de testes de pedir aos participantes para mover os olhos tão rapidamente e com precisão quanto possível para seguir o ponto vermelho que salta do centro para um lado ou do outra, exatamente como eles fizeram no primeiro bloco.
- Redefinir o saccadometer para gerar uma sequência de 60 ensaios, e iniciar o bloco final dos ensaios (prosaccades).
Figura 2. Tarefas movimento do olho. Illustrati esquemáticosem que mostra dois exemplos de tarefas sacádicos. A mancha azul sólida representa o alvo e o círculo azul pontilhada representa a área de fixação. ESQUERDA mostra uma tarefa prosaccadic onde o sujeito é solicitado a olhar para o alvo. DIREITO mostra um antisaccade onde o sujeito é convidado a olhar para longe do estímulo visual . Isto requer a inibição da resposta prosaccade mais natural e geração de uma sacada na direção oposta. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
4. Configurações profunda cerebral Estimulador
Nota: Para os participantes com estimuladores profundas do cérebro realizar os ensaios até agora com o sistema estimulador de execução como normal, ou seja, um conjunto de dados 'no estímulo' foi obtido. Teste agora precisa ser repetido com o sistema estimulador desligado (para os participantes controle saudáveis, sem sistemas de DBS esta secção não se aplicam).
- Mudar o sistema DBS off. Faça isso por um corpo clínico treinado. Permitir 30 minutos antes do teste.
- Repetir o teste sacádica (passos 3,2-3,9) para se obter um "fora estimulação 'conjunto de dados completo.
- Mudar o sistema DBS novamente (novamente este deve ser feito por pessoal clínico devidamente treinados).
Análise 5. Os dados
Nota: Para os participantes com estimuladores profundas do cérebro realizar os ensaios até agora com o sistema estimulador de execução como normal, ou seja, um conjunto de dados 'no estímulo' foi obtido. Teste agora precisa ser repetido com o sistema estimulador desligado (para os participantes controle saudáveis, sem sistemas de DBS nesta secção não se aplicam).
- Faça o download dos dados brutos do saccadometer a um computador para análise.
- Usar o programa de software do saccadometer excluir saccades distorted pela pisca e movimentos de cabeça, e para calcular variáveis, incluindo latências sacádicos, velocidades de pico, e amplitudes.
Nota: Os registros contaminados por movimentos da cabeça excessivas ou pisca são removidos automaticamente pelo software.- Remover sácades com latência de menos de 80 ms ou superior a 1.000 ms.
Nota: latência sacádica é calculado automaticamente, usando um algoritmo de detecção de saccade com base na velocidade e aceleração. O aparecimento de uma sacada é identificado como o ponto em que a velocidade do olho exceda um limiar de 5 graus / seg.
- Remover sácades com latência de menos de 80 ms ou superior a 1.000 ms.
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Representative Results
A Figura 3 mostra um exemplo de trajectórias de movimento rápido dos olhos, do paciente da doença de Parkinson com um sistema de DBS núcleo subtalâmico implantado. Os dois gráficos mostram prosaccades do paciente com o sistema estimulador desligado (gráfico superior) e ligado (gráfico inferior). Cada traço nos gráficos mostra a trajetória de um único sacádicas, isto é, como a posição do olho em graus de distância da linha média (eixo y) varia como uma função do tempo (eixo x). Ambos saccades leftward e rightward são mostrados no gráfico como desvios aos valores graus positivos. Tempo zero é o momento em que a meta central desaparece eo alvo periférico aparece. O intervalo de tempo entre este e o início da sacádicas (o momento em que o traço desvia de zero graus) é denominado latência sacádica, e a principal observação é que a distribuição de sácades é alterada quando o estimulador é ligado, com um Reducção no número de sacadas de longa latência e uma diminuição correspondente na latência média.
Figura 3. Prosaccadic Trajetória Resultados. Isso mostra os sacádicos resultados de latência movimento dos olhos do paciente de Parkinson depois de submetidos a Estimulação Cerebral Profunda do núcleo subtalâmico. UPPER mostra o perfil de latência do paciente quando o estimulador é desligado inferior mostra o perfil de latência do mesmo paciente quando o estimulador é ligado. por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
O fator mais crítico na obtenção de dados sacádica boa qualidade é garantir que as instruções dadas para o participante são claras e precisas. Por exemplo, se as instruções para a tarefa antisaccadic não são completamente claras, o participante é susceptível de executar prosaccades vez. As gravações também podem ser estragado se o participante não pode ver claramente os estímulos ou a saccadometer não pode medir com precisão a posição dos olhos. Assim, se os dados parecem ser de baixa qualidade o experimentador deve verificar que a luz ambiente não é muito brilhante e que a saccadometer está sentado corretamente na ponte do nariz.
A estimulação cerebral profunda permite a modificação direta da atividade neural em um vários locais nos gânglios basais. Juntamente com o equipamento que pode com precisão e quantificar objectivamente movimentos oculares, DBS pode ser usado para investigar o funcionamento normal e anormal destas áreas do cérebro.
experimentosusando saccadometry em conjunto com DBS deve muitas vezes lidar com mais do que um desconhecido simultaneamente. Os cérebros em estudo estão doentes numa extensão variável e não sabemos ao certo o mecanismo pelo qual DBS está a atingir os seus efeitos, com hipóteses, incluindo a ativação de neurônios na área alvo, despolarização bloqueio dos neurônios, a estimulação dos aferentes e / ou axônios eferentes e efeitos mais complexas sobre a atividade da rede.
Indivíduos com doenças neurodegenerativas são muitas vezes a medicação e isso vai ser quase universal para pacientes com pacientes com DP que têm sistemas de DBS. Sacadas são afetados por medicamentos antiparkinsonianos, e a fim de fazer uma avaliação válida dos efeitos do DBS sobre parâmetros sacádicos, estado medicação deve ser semelhante ao testar com o DBS ligado e DBS off. Isto quer dizer que tendo o assunto fora toda a medicação para a duração do teste (incluindo um intervalo de segurança de antemão), ou então a realização on-DBS e otestes FF-DBS dentro de um relativamente curto período de tempo. Tem sido demonstrado que a completa desgasta fora dos efeitos de DBS em sácades leva várias horas, mas que a maioria da alteração ocorre dentro de 30 min a 10. O curso de tempo sugere vários mecanismos com diferentes intervalos de tempo, de muito rápido (efeitos elétricos) para (por exemplo, a síntese de proteínas,) muito mais prolongada. Os 30 min sugerido no protocolo irá, por conseguinte, capturar a maior parte da alteração induzida DBS, e é muito mais curto do que o intervalo de dosagem típico de várias horas. Ele não dá um tempo adequado para os mecanismos mais lentos para liquidar até ao estado estacionário e repetidos em intervalos mais longos pode ser útil em fornecendo informações sobre esses mecanismos. Com lacunas mais longos não se poderia supor que os níveis de medicação durante o teste e fora DBS foram aproximadamente semelhante, assim, intervalos mais longos tendem a ser mais fáceis de interpretar ao testar a medicação.
A maior parte da literatura sobre a EFfects de DBS sobre os movimentos dos olhos centrou-se na estimulação de alta frequência do núcleo subtalâmico na DP. latência Prosaccadic é prolongada em PD e está bem estabelecido que a STN DBS pode reduzir substancialmente aos valores normais (exatamente como permanece aberta para debate). No entanto, quando saccadometry é realizada no período pós-operatório imediato, dentro de horas a dias de inserção chumbo e antes de estimulação elétrica é ligado, verifica-se que as latências são, na verdade aumentaram 11. inserção dos eletrodos provoca edema e isso vai levar a ablação funcional temporária do cérebro imediatamente em torno do eletrodo; Isso resolve dentro de algumas semanas e os parâmetros sacádicos retornar à linha de base (estimuladores comumente não são ativados até algumas semanas de pós-operatório para permitir que este tempo para resolver). A oposição de os efeitos de inserção de eléctrodo de estimulação e é de interesse considerável, porque ilustra que uma das teorias anteriormente apresentadas para explicar comoDBS é de trabalho, por meio do bloqueio da estrutura estimulada (ou seja, a ablação funcional), não pode explicar de forma abrangente seu mecanismo de acção. Outros estudos encontraram efeitos semelhantes 12-14.
É possível construir experimentos combinando DBS e saccadometry para investigar a fisiologia normal. Grande cuidado deve ser tomado com desenho experimental e interpretação dos resultados, porque o sujeito experimental tem, necessariamente, alguma condição neurológica. Uma abordagem é comparar os resultados dos testes sacádicos com DBS e desligando os resultados de participantes controle saudáveis sem DBS. Se os resultados em indivíduos DBS com seus estimuladores desligado assemelham aos controles, então é razoável para proceder com base que muda nos movimentos dos olhos vistos em resposta a DBS são provavelmente similares às que seria visto se a experiência poderia ser feito em participantes sem doença. Por exemplo, o desempenho de uma forma prótarefa saccade que foi criado para que o estímulo visual é mais provável que aparecem em um lado do que o outro, é semelhante para os participantes saudáveis e pacientes com DP com sistemas STN DBS no lugar, mas desligado. Latências encurtar para sacadas na direção em que o alvo é mais provável que apareça, e alongar na direção menos provável. Quando os sistemas são ativados, o prolongamento da latência na direção menos provável desaparece, e a interpretação foi que a STN está realizando uma função de normalização probabilidade de 15. Os pacientes incluídos no estudo tinham PD, mas que não era diretamente relevante para o resultado. Claro que isto é um pressuposto significativo e é possível que a doença modula a resposta a DBS embora não afectou o desempenho da linha de base. Além disso, a semelhança dos dados de controlo de fora de DBS e pode ser o resultado de mecanismos compensatórios em vez de uma ausência de efeito da patologia nos parâmetros a ser medido. Os resultados devem ser interpreted com isso em mente.
Uma vez que as técnicas básicas descritas no protocolo foram domina a abordagem pode ser estendido para paradigmas mais complexas. Muitas tarefas sacádicos diferentes foram desenvolvidos de que a tarefa de probabilidade com base descrito no parágrafo anterior é apenas um. Outros exemplos incluem sacadas memória guiada 16 (olhando para o local lembrava de um estímulo que não está mais lá) ou tarefas sacádicos baseada em recompensa projetados para invocar a função límbico 17.
Aqui nós descrevemos um dos mais simples tarefas sacádicos, a 10 graus visualmente guiado tarefa etapa horizontal. Muitas modificações da tarefa são possíveis, tais como a inserção de um hiato temporal entre o desaparecimento ponto de fixação e aparência alvo periférico 18-20 ou uma sobreposição 21, onde ponto de fixação e alvo laterais estão presentes em simultâneo. Paradigmas deste tipo têm sido utilizadas a fim de compreender saccadic iniciação e correlatos neurais têm sido observadas nos campos ocular frontal 20,22 e o colículo superior 23. Uma discussão detalhada sobre os vários usos de diferentes paradigmas sacádicos está além do escopo deste artigo; para uma revisão ver 1.
Saccadometry tem larga aplicação fora do seu uso em DBS. Sacádicos vias envolvem múltiplos partes dos gânglios da base e as alterações são sacadas um biomarcador potencial de qualquer condição que perturba ou danos a função destas estruturas. Saccadometry tem sido investigada, por exemplo, para uso em condições neurodegenerativas, incluindo a DP, doença de Huntington, demência fronto-temporal, esclerose lateral amiotrófica, bem como em traumatismo craniano e de doenças metabólicas, incluindo a encefalopatia hepática.
Em conclusão, saccadometry é uma ferramenta quantitativa útil por si só, mas a sua combinação com estimulação cerebral profunda abre-se uma gama de experimenabordagens Tal que pode lançar uma nova luz sobre a função cerebral na saúde e na doença.
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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
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