Introduction
Under senare år har det funnits ett ökande intresse för användning av mätningar av reaktionstider som ett kvantitativt och icke-invasiv sätt att få information om de mekanismer på hög nivå av neural beslutsfattande 1. En typ av reaktionstiden som har studerats ingående är den tid det tar att starta en saccade mot uppvisande av en visuell stimulans, kallad snabba ryckiga latens. Saccades är snabba ögonrörelser som uppstår när vi snabbt flytta blicken från en plats till en annan. De är den vanligaste typen av ögonrörelser vi gör, som inträffar vid en frekvens av typiskt två eller tre per sekund. Varje saccade är i själva verket ett beslut om att titta på en kö i den visuella världen i stället för en annan två.
De nervbanor som kontrollerar ögonrörelser har studerats ingående och är ganska väl dokumenterade 3. Använda känslig elektronisk utrustning, kan aspekter av oculomotor funktion vara exakt och objectively kvantifieras. Detta underlättar detaljerad studie av rörelser ögat själva utan också gör att de kan användas som ett verktyg för att undersöka andra områden av neurofysiologi och patofysiologi.
rörelse öga mätning kan ge värdefull information om sjukdomstillstånd. Sackadiska ögonrörelser har nyligen till exempel fått mycket uppmärksamhet som potentiella biomarkörer i neurodegenerativa sjukdomar inklusive Huntingtons 4,5 och Parkinsons sjukdomar 6,7, och det är väl etablerat att sackadiska reaktionstider tenderar att vara långsammare än normalt under dessa förhållanden. Potentiella användningsområdena för snabba ryckiga mätning omfattar stöd till diagnos och spårning sjukdom. Sackadiska uppgifter sträcker sig från enkla prosaccade (ser så snabbt som möjligt mot en plötsligt uppträder visuell stimulans åt vänster eller höger) till mer komplexa uppgifter såsom antisaccade (ser så snabbt som möjligt till den motsatta sidan till en visuell stimulus) eller minne- guidad saccade (sermot ihåg platsen för ett mål som inte längre finns).
Djup hjärnstimulering är en effektiv behandling för flera neurologiska tillstånd. Det är oftast används för att behandla motoriska symtomen vid Parkinsons sjukdom, inklusive tremor, stelhet, bradykinesi och dyskinesi. Det är också användas för andra rörelsestörningar inklusive dystoni och essentiell tremor, och mindre vanligt för neuropatisk smärta, epilepsi, och psykiatriska tillstånd, såsom tvångssyndrom. Det är den enda miljö där forskare har direkt elektrisk tillgång till djupa strukturer i den mänskliga hjärnan in vivo och erbjuder därmed en värdefull möjlighet för experimentell neurologi. En mängd olika mål stimuleras beroende på det tillstånd som behandlas, däribland flera platser i de basala ganglierna, av vilka många är involverade i oculomotor vägar. Detta innebär att ett stort antal studier kan utföras med hjälp av DBS-systemet för att leverera stimuleringtill en given hjärn plats och en eye tracking enhet för att registrera och analysera dess effekter. Beroende på den experimentella paradigm, kan sådana studier ge information om fysiologin hos den region som stimuleras, effekterna av sjukdomen, eller den mekanism med vilken DBS arbetar i just inställningen. Den här artikeln beskriver en allmän riktlinje för snabba ryckiga ögonrörelser testning i Deep Brain Stimulation patienter.
Flera olika typer av ögonspårning material finns tillgängliga. För den forskning som beskrivs i detta protokoll en bärbar saccadometer användes för att spela in horisontella sackadiska ögonrörelser. Bärbara saccadometers har fördelen att inte kräva nackstöd (se figur 1), vilket innebär att sessioner är mer bekväm för patienter med Parkinsons sjukdom, särskilt för dem som lider med svår dyskinesi. Den saccadometer används här är lätt och ca 5 cm bred och 10 cm lång. Den saccadometer measures ögonrörelser genom användning av direkt infraröd oculography: en infraröd källa och sensor placerad framför den mediala ögonvrå använda ljus som reflekteras från hornhinnan för att fastställa rotationsläget av ögongloben på millisekundintervaller. För att få god kvalitetsdata för analys saccadometer bör provet med en hastighet av minst 1 kHz med åtminstone en 12 bitars upplösning. I saccadometer som används här var de visuella stimuli tre röda 13 cd m-2 fläckar av ljus som produceras av inbyggd låg effekt lasrar, varje fläck subtending vissa 0,1 grader, med en fläck i mittlinjen och de andra två vid ± 10 grader (dvs. , till höger och vänster).
Figur 1. Saccadometer. Huvudmonterade saccadometer fäst vid ett elastiskt band och vilar på näsryggen. Fyra miniatyr lasrar projicerar visuella måls på en matt yta, och deltagarens ögonrörelser mäts genom differential infraröd reflektans omvandlare på den nasala sidan av varje öga. Som laser mål rör sig med huvudet, nackskydd krävs inte. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Den lokala etiska kommittén godkänt denna studie och informerade samtyckt erhölls från deltagarna som beskrivs nedan i avsnitt 1.
1. Deltagare Medgivande
- Ge deltagarna ett informationsblad som förklarar i detalj vad testsessionen kommer att innehålla.
- Efter att deltagarna har möjlighet att läsa och diskutera eventuella frågor, funderingar eller andra frågor som rör de kan delta i studien, gå igenom medgivande med dem, förklarar varje punkt på medgivande och ge dem möjlighet att ställa några frågor de kan ha. Be deltagaren att fylla i formuläret.
2. Ställa in Saccadometer
- Placera enheten på patientens huvud, säkras genom en justerbar elastisk rem och vilar på näsryggen. Eftersom stimuli rör sig exakt med huvudet, är ingen huvudstödet behövs och enheten är bekvämt att WEAr.
- Be patienten att sitta vid 1,5 m från en platt matt skärm.
- Se till att den omgivande belysningen är svag så att stimuli (rött ljus fläckar) är tydligt.
3. Spela in en sackadiska Session
Obs: Som ett exempel ett standardprotokoll som testar både prosaccades och antisaccades 8 beskrivs här. Detta protokoll består av fem block: 60 prosaccades, 40 antisaccades x 3 och 60 prosaccades med en paus på 1 minut mellan blocken. Sessionen varar ca 40 min.
- Ställ in saccadometer så att för varje försök den centrala fixeringsmålet visas ett slumpmässigt längs period av 1,0-2,0 sekunder, varefter den släcks och en av de perifera mål visas slumpmässigt till höger eller vänster 9.
Obs: De tre målen är fläckar av rött ljus projiceras på skärmen framför deltagaren (se 2.2) med låg effekt lasrar inbyggda i saccadometer. Den saccadometer automatically växlar laser på och av för att visa / släcka målen i den nödvändiga sekvensen. - Instruera deltagaren att testningen består av fem block med en minuts paus mellan blocken.
- Före det första blocket instruera deltagaren att flytta sina ögon så snabbt och korrekt som möjligt för att följa den röda pricken hoppa från mitten till den ena eller den andra och instruera dem att göra detta 60 gånger.
- Ställa in saccadometer att generera en sekvens av 60 försök. Tryck på knappen på saccadometer att starta det första blocket av prövningar (prosaccades).
- Efter slutförandet av det första blocket, lämnar en minut lucka innan det andra blocket. Återställa saccadometer att generera en sekvens av 40 försök, och mot slutet av en minut gapet, instruera deltagaren för nästa block för att flytta sina ögon så snabbt som möjligt i den motsatta riktningen till den röda punkten, och förklara att de kommer krävas för att göra detta 40 gånger. Starta sekond block av prövningar (antisaccades).
- Efter slutförandet av den andra blocket, lämna ytterligare en minut gap, upprepa instruktionen i steg 3,5 och starta det tredje blocket av prövningar (antisaccades).
- Efter slutförandet av den tredje blocket, lämna ytterligare en minut gap, upprepa instruktionen i steg 3,5 och starta fjärde block av prövningar (antisaccades).
- Efter slutförandet av den fjärde blocket, lämna ytterligare en minut gap, och förklara att för den slutliga blocket tester be deltagarna att flytta sina ögon så snabbt och korrekt som möjligt för att följa den röda pricken hoppar från mitten åt sidan eller andra, precis som de gjorde i det första blocket.
- Återställ saccadometer att generera en sekvens av 60 försök, och starta den slutliga blocket av prövningar (prosaccades).
Figur 2. Ögonriktning Aktiviteter. Schemat illustratipå att visa två exempel på sackadiska uppgifter. Den fasta blå fläck representerar målet och den streckade blå cirkeln representerar området fixering. VÄNSTER visar en prosaccadic uppgift där motivet är ombedd att titta mot målet. Höger visar en antisaccade där motivet är ombedd att titta bort från den visuella stimuli . Detta kräver hämning av mer naturlig prosaccade respons och generering av en saccade i motsatt riktning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
4. deep brain stimulation inställningar
Obs: För deltagare med djupa hjärn stimulatorer genomföra tester hittills med stimulator som körs som vanligt, det vill säga har en "på stimulering" dataset erhållits. Testning behöver nu upprepas med stimulatorn systemet avstängd (för friska kontroll deltagare utan DBS-system detta avsnitt kommer att gälla).
- Stäng av DBS systemet. Gör detta genom att en utbildad klinisk personal. Låt 30 minuter före testning.
- Upprepa snabba ryckiga testning (steg från 3,2 till 3,9) för att erhålla en fullständig "off stimulering" dataset.
- Slå DBS systemet igen (igen detta bör ske genom lämplig utbildning klinisk personal).
5. Dataanalys
Obs: För deltagare med djupa hjärn stimulatorer genomföra tester hittills med stimulator som körs som vanligt, det vill säga har en "på stimulering" dataset erhållits. Testning behöver nu upprepas med stimulatorn systemet avstängd (för friska kontroll deltagare utan DBS-system detta avsnitt kommer inte tillämpas).
- Ladda ner rådata från saccadometer till en dator för analys.
- Använd saccadometer s program för att utesluta saccades distorsionTed av blinkningar och huvudrörelser, och att beräkna variabler inklusive sackadiska latenser, topphastigheter och amplituder.
Obs: Records förorenade av överdrivna rörelser eller blinkar huvud automatiskt bort av programvaran.- Ta bort saccades med latens mindre än 80 ms eller högre än 1000 ms.
Obs: sackadiska latens beräknas automatiskt med hjälp av en saccade-detekterings algoritm baserad på hastighet och acceleration. Början av en saccade identifieras som den punkt när ögat hastighet överstiger ett tröskelvärde på 5 grader / sek.
- Ta bort saccades med latens mindre än 80 ms eller högre än 1000 ms.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 3 visar ett exempel på sackadiska ögonrörelser banor, från en patienten med Parkinsons sjukdom med en nucleus subthalamicus DBS-system implanteras. De två grafer rita patientens prosaccades med stimulatorn systemet avstängd (övre grafen) och påslagen (nedre diagrammet). Varje spår på graferna visar banan för en enskild saccade, dvs hur ögat läget i grader bort från mittlinjen (y-axel) varierar som en funktion av tiden (x-axeln). Både åt vänster och åt höger saccades visas i diagrammet som omläggning till positiva gradvärden. Tiden noll är den tidpunkt då den centrala målet försvinner och det perifera mål visas. Intervallet mellan detta och uppkomsten av saccade (det ögonblick då spår deformeras från noll grader) benämns snabba ryckiga latens, och huvud iakttagelse är att fördelningen av saccades ändras när stimulatorn slås på, med en reduInsatser i antalet långa latens saccades och en motsvarande minskning av genomsnittlig latens.
Figur 3. Prosaccadic Trajectory Resultat. Detta visar de sackadiska ögonrörelser latency resultat från en patient med Parkinsons genomgår efter Deep Brain Stimulation av nucleus subthalamicus. ÖVRE visar latensen profilen för patienten när stimulatorn är avstängd LOWER visar latensen profilen för samma patient när stimulatorn är påslagen. klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den mest kritiska faktorn i att få god kvalitet snabba ryckiga uppgifter är att se till att de instruktioner som ges till deltagaren är klara och precisa. Till exempel, om instruktionerna för antisaccadic uppgift är inte helt klart, kommer sannolikt att utföra prosaccades istället deltagaren. Inspelningar kan också vara ogiltiga om deltagaren inte tydligt kan se de stimuli eller saccadometer kan inte exakt mäta ögonläge. Således om uppgifterna verkar vara av låg kvalitet försöks bör kontrollera att det omgivande ljuset är inte för ljust och att saccadometer sitter ordentligt på näsryggen.
Djup hjärnstimulering möjliggör direkt modifikation av neural aktivitet vid en olika platser i de basala ganglierna. Kopplad med utrustning som exakt och objektivt kan kvantifiera ögonrörelser, kan DBS användas för att undersöka den normala och onormal funktion av dessa områden i hjärnan.
experimentmed användning saccadometry tillsammans med DBS måste ofta brottas med mer än ett okänt samtidigt. Hjärnorna som undersöks är sjuka i varierande utsträckning, och vi vet inte med säkerhet den mekanism genom vilken DBS uppnår dess effekter, med hypoteser, inklusive aktivering av nervceller i målområdet, depolariserande blockad av nervceller, stimulering av afferenta och / eller efferenta axoner och mer komplexa effekter på nätverksaktivitet.
Patienter med neurodegenerativa tillstånd är ofta på medicinering och detta kommer att vara nästan universell för patienter med PD-patienter som har DBS-system. Saccades påverkas av antiparkinson medicinering, och i syfte att göra en giltig bedömning av effekterna av DBS på sackadiska parametrar måste medicinering tillstånd vara liknande när man testar med DBS på och DBS av. Detta betyder antingen att ha motivet av alla läkemedel för hela provningen (inklusive en karenstid på förhand), eller andra strömförande på DBS och off-DBS tester inom en relativt kort tidsperiod. Det har visat sig att hela avta av effekterna av DBS på saccades tar flera timmar utan att det mesta av förändringen sker inom 30 minuter 10. Tidsförloppet föreslår flera mekanismer med olika tidsförlopp, från mycket snabba (elektrisk påverkan) till mycket mer långvarig (t.ex. proteinsyntes). De 30 min som föreslås i protokollet kommer därför fånga de flesta av DBS inducerade förändringen, och är mycket kortare än den typiska dosintervallet på flera timmar. Det ger inte tillräckligt med tid för de långsammare mekanismer för att lösa till steady state, och testa om med längre intervall kan vara användbara för att ge en inblick i dessa mekanismer. Med längre luckor man inte kunde anta att medicinering nivåer samtidigt testa på och av DBS var ungefär lika, alltså längre intervaller kommer sannolikt att vara lättare att tolka när man testar av medicinering.
De flesta av litteraturen om effekter av DBS på ögonrörelser har fokuserat på högfrekvent stimulering av nucleus kärna i PD. Prosaccadic latens förlängs i PD och det är väl etablerat att STN DBS avsevärt kan minska den mot normala värden (exakt hur förblir öppen för debatt). Men när saccadometry utförs i den tidiga postoperativa perioden, inom timmar till dagar av bly insättning och innan elektrisk stimulering är påslagen, har det visat sig att latenser är faktiskt ökade med 11. Elektrod insättning orsakar ödem och detta kommer att leda till tillfällig funktionell ablation av hjärnan omedelbart omger elektroden; Detta lägger sig inom några veckor och sackadiska parametrar återgår till baslinjen (stimulatorer vanligen inte påslagen förrän några veckor efter operationen för att låta denna tid för att lösa). Den motsatthet av effekterna av elektrod insättning och stimulering är av betydande intresse, eftersom den visar att en av de teorier som tidigare fram för att förklara hurDBS fungerar genom blockad av stimulerade struktur (dvs funktionella ablation), kan inte utförligt förklara dess verkningsmekanism. Andra studier har visat liknande effekter 12-14.
Det är möjligt att konstruera experiment kombinerar DBS och saccadometry att undersöka normal fysiologi. Stor omsorg måste tas med experimentell design och tolkning av resultaten, eftersom försöksperson har nödvändigtvis någon neurologisk sjukdom. Ett tillvägagångssätt är att jämföra resultaten av snabba ryckiga testning med DBS av och på resultat från friska kontroll deltagare utan DBS. Om resultaten i DBS individer med sina stimulatorer avstängd liknar de i kontrollgruppen, då är det rimligt att utgå som förändringar i ögonrörelser ses som svar på DBS kommer sannolikt att vara liknande de som skulle ses om experimentet kan göras i deltagare utan sjukdom. Till exempel, prestanda i en prosaccade uppgift som har satts upp så att den visuella stimuli är mer sannolikt att visas på ena sidan än den andra, är likartad för friska deltagare och PD patienter med STN DBS-system på plats men avstängd. Latenser förkorta för saccades i den riktning där målet är mer sannolikt att visas, och förlänga i mindre sannolikt riktning. När systemen är påslagna, försvinner en förlängning av latens i mindre sannolikt riktning, och tolkningen var att STN utför en sannolikhets normalisering funktion 15. Patienterna i denna studie hade PD, men det var inte direkt relevant för resultatet. Detta är naturligtvis en viktig förutsättning och det är möjligt att sjukdomen modulerar svaret på DBS även om det inte påverkar baslinjen prestanda. Vidare kan likheten mellan off-DBS och styrdata vara resultatet av kompensatoriska mekanismer snarare än bristande effekt av patologi på de parametrar som mäts. Resultaten måste vara interpreted med detta i åtanke.
När de grundläggande teknikerna som beskrivs i protokollet har bemästrat tillvägagångssätt kan utsträckas till mer komplexa paradigm. Många olika sackadiska uppgifter har utvecklats som sannolikheten baserad uppdrag som beskrivs i föregående stycke är bara en. Ytterligare exempel är minnes guidade saccades 16 (blicken mot ihåg platsen för en stimulans som inte längre finns) eller belöning baserade sackadiska uppgifter för att åberopa limbiska funktion 17.
Här har vi beskrivit ett av de enklaste sackadiska uppgifter, en 10-graders visuellt styrd horisontell steg uppgift. Många modifieringar av uppgiften är möjliga såsom att sätta in en tidsgapet mellan fixeringspunkt försvinnande och perifera mål utseende 18-20 eller en överlappning 21, där fixeringspunkt och sido mål är närvarande samtidigt. Paradigm av detta slag har använts för att förstå saccadic initiering och neurala korrelat har observerats i de främre ögon fält 20,22 och den överlägsna colliculi 23. En detaljerad diskussion om de olika användningsområdena för olika sackadiska paradigm är utanför ramen för denna artikel, för en översikt se en.
Saccadometry har bred tillämpning utanför dess användning i DBS. Sackadiska vägar involverar flera delar av de basala ganglierna och sackadiska förändringar är en potentiell biomarkör för alla tillstånd som skadar eller stör funktionen hos dessa strukturer. Saccadometry har exempelvis undersökts för användning vid neurodegenerativa tillstånd innefattande PD, Huntingtons sjukdom, frontotemporal demens, amyotrofisk lateral skleros, samt i huvudskada och i metaboliska störningar inklusive hepatisk encefalopati.
Sammanfattningsvis är saccadometry ett användbart kvantitativt verktyg av sig själv, men att kombinera den med djup hjärnstimulering öppnar upp en rad experimenTal metoder som kan kasta nytt ljus på hjärnans funktion i både hälsa och sjukdom.
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).
