Dr. Antoniades was supported by the National Institute of Health Research (NIHR) and by the Dementias and Neurodegenerative Diseases Research Network (DENDRON) and by the Wellcome Trust. Dr FitzGerald was supported by the National Institute for Health Research (NIHR) Oxford Biomedical Research Centre.

Die Ethikkommission genehmigte diese Studie und informierte Zustimmung wurde von den Teilnehmern erhalten, wie unten beschrieben in Abschnitt 1. 1. Teilnehmer Zustimmung <ol><li> Den Teilnehmern ein Informationsblatt, das im Detail erklärt, was die Test-Session enthalten wird. </li><li> Nachdem die Teilnehmer die Möglichkeit haben, zu lesen und zu Fragen, Bedenken oder anderen Angelegenheiten ihrer Teilnahme an der Studie, gehen durch die Zustimmung Form mit ihnen zu erklären, jeden Punkt auf der Einverständniserklärung und geben ihnen die Möglichkeit zu diskutieren, Fragen zu stellen sie haben könnte. Bitten Sie den Teilnehmer das Formular auszufüllen. </li></ol> 2. Einrichten des Saccadometer <ol><li> Stellen Sie das Gerät auf den Kopf des Patienten, durch einen verstellbaren Gummiband befestigt und ruht auf der Brücke der Nase. Da die Reize genau mit dem Kopf zu bewegen, keine Kopfstütze ist notwendig, und das Gerät ist bequem zu wear. </li><li> Fragen Sie den Patienten bei 1,5 m von einer flachen Mattscheibe zu sitzen. </li><li> Stellen Sie sicher, dass das Umgebungslicht schwach ist, so dass die Stimuli (rote Lichtpunkte) deutlich zu sehen sind. </li></ol> 3. Aufnahme eines Sakkadische Session Hinweis: Als Beispiel ein Standardprotokoll , das sowohl prosaccades und Antisakkaden testet 8 wird hier beschrieben. Dieses Protokoll besteht aus fünf Blöcken: 60 prosaccades, 40 Antisakkaden x 3 und 60 prosaccades mit einer Pause von 1 min zwischen den Blöcken. Die Sitzung dauert etwa 40 min. <ol><li> Stellen Sie die saccadometer, so dass für jeden Versuch die zentrale Fixierungsziel für eine zufällige Vorder Zeitraum von 1,0 angezeigt - 2,0 sec, nach dem es ausgelöscht wird und eine der peripheren Zielen angezeigt wird , zufällig nach rechts oder 9 verlassen. Hinweis: Die drei Ziele Flecken auf dem Bildschirm vor dem Teilnehmer projiziert rotes Licht sind (siehe 2.2) durch niedrige Leistungslasern in die saccadometer gebaut. Die saccadometer automatically schaltet der Laser ein- und ausgeschaltet Anzeige / Ziele in der notwendigen Reihenfolge löschen. </li><li> Weisen Sie den Teilnehmer, der die Prüfung besteht aus fünf Blöcken mit einer Minute Pause zwischen den Blöcken. </li><li> Vor dem ersten Block den Teilnehmer anweisen, ihre Augen so schnell und genau wie möglich zu bewegen, den roten Punkt von der Mitte springt zu folgen, um eine oder die andere Seite und sie anweisen, diese 60-mal zu tun. </li><li> Stellen Sie die saccadometer eine Folge von 60 Studien zu generieren. Drücken Sie die Taste auf der saccadometer den ersten Block von Studien (prosaccades) zu starten. </li><li> Nach Abschluss des ersten Blocks, lassen eine Minute Lücke vor dem zweiten Block. Setzen Sie die saccadometer eine Folge von 40 Studien zu erzeugen, und gegen Ende des einen winzigen Spalt, weisen Sie den Teilnehmer für den nächsten Block, um ihre Augen so schnell wie möglich in die entgegengesetzte Richtung zu dem roten Punkt bewegen, und zu erklären, dass sie werden benötigt, um diese 40-mal zu tun. Starten Sie die Sekond Block von Studien (Antisakkaden). </li><li> Nach Abschluss des zweiten Blocks, eine weitere 1 min Lücke lassen, wiederholen Sie die Anweisung im Schritt 3.5 und den dritten Block von Studien (Antisakkaden) starten. </li><li> Nach Abschluss des dritten Blocks, eine weitere 1 min Lücke lassen, wiederholen Sie die Anweisung im Schritt 3.5 und den vierten Block von Studien (Antisakkaden) starten. </li><li> Nach Beendigung des vierten Blocks, eine weitere 1 min Lücke lassen, und dass für den letzten Block von Tests erklären bitten die Teilnehmer, um ihre Augen so schnell und so genau wie möglich bewegen Sie den roten Punkt von der Mitte zu folgen, um eine Seite springen oder die andere, genau so, wie sie in dem ersten Block haben. </li><li> Setzen Sie die saccadometer eine Folge von 60 Studien zu generieren, und starten Sie den letzten Block von Studien (prosaccades). </li></ol><img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/53640/53640fig2.jpg" /> Abbildung 2. Augenbewegungsaufgaben. Schematic illustratiauf zwei Beispiele von Sakkaden-Aufgaben. Der feste blauen Fleck stellt das Ziel und die gestrichelte blaue Kreis stellt den Bereich der Fixierung. LEFT eine prosaccadic Aufgabe zeigt , wo das Subjekt aufgefordert wird , auf das Ziel zu suchen. RECHTS ein Antisakkaden zeigt , wo die Versuchsperson gebeten wird vom visuellen Reiz zu schauen weg . Dies erfordert die Hemmung der natürlichen prosaccade Reaktion und die Erzeugung eines Sakkaden in die entgegengesetzte Richtung. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53640/53640fig2large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53640/53640fig2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> 4. Deep Brain Stimulator-Einstellungen Hinweis: Für Teilnehmer mit tiefen Hirnstimulatoren die Tests durchführen bisher mit Stimulator System normal läuft, dh ein &#39;auf Stimulation&#39; Datensatz entnommen wurde. Testen muss nun mit der Stimulator System ausgeschaltet wiederholt werden (für gesunde Kontrollpersonen ohne DBS-Systeme werden in diesem Abschnitt gelten nicht). <ol><li> Schalten Sie das DBS-System ab. Tun Sie dies durch einen ausgebildeten Klinikpersonal. Lassen Sie 30 Minuten vor dem Test. </li><li> Wiederholen Sie die Sakkaden-Tests (Schritte 3,2 bis 3,9), um eine vollständige &#39;off Stimulation&#39; Daten-Set zu erhalten. </li><li> Schalten Sie das DBS-System wieder auf (wieder sollte diese durch entsprechend geschultes Klinikpersonal durchgeführt werden). </li></ol> 5. Datenanalyse Hinweis: Für Teilnehmer mit tiefen Hirnstimulatoren die Tests durchführen bisher mit Stimulator System normal läuft, dh ein &#39;auf Stimulation&#39; Datensatz entnommen wurde. Testen muss nun mit der Stimulator System ausgeschaltet wiederholt werden (für gesunde Kontrollpersonen ohne DBS Systeme dieser Abschnitt nicht gelten). <ol><li> Laden Sie sich die Rohdaten von der saccadometer an einen Computer für die Analyse. </li><li> Verwenden Sie die Software-Programm saccadometer auszuschließen Sakkaden Verzerrungented durch blinkt und Kopfbewegungen, einschließlich zu berechnen Variablen saccadische Latenzen, Spitzengeschwindigkeiten und Amplituden. Hinweis: Die Aufnahme erfolgt kontaminiert durch übermäßige Kopfbewegungen oder blinkt, werden automatisch von der Software entfernt. <ol><li> Entfernen Sie Sakkaden mit Latenz von weniger als 80 ms oder größer als 1000 ms. Hinweis: Sakkadische Latenz berechnet wird automatisch unter Verwendung eines Sakkade-Erfassungsalgorithmus basierend auf Geschwindigkeit und Beschleunigung. Der Beginn eines Sakkade wird als der Punkt identifiziert, wenn das Auge Geschwindigkeit eine Schwelle von 5 Grad / sec überschreitet. </li></ol></li></ol>

<ol>
	<li>Leigh, R. J., Kennard, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+saccades+as+a+research+tool+in+the+clinical+neurosciences.">Using saccades as a research tool in the clinical neurosciences.</a> Brain. 127, 460-477 (2004).</li><li>Carpenter, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+neural+control+of+looking.">The neural control of looking.</a> Curr Biol. 10, 291-293 (2000).</li><li>Leigh, R. J., Zee, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Neurology of Eye Movements. , (2006).</li><li>Antoniades, C. A., Xu, Z., Mason, S. L., Carpenter, R. H., Barker, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Huntington's+disease:+changes+in+saccades+and+hand-tapping+over+3+years.">Huntington's disease: changes in saccades and hand-tapping over 3 years.</a> Journal of Neurology. 257, 1890-1898 (2010).</li><li>Blekher, T. M., Yee, R. D., Kirkwood, S. C., Hake, A. M., Stout, J. C., Weaver, M. R., Foroud, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Oculomotor+control+in+asymptomatic+and+recently+diagnosed+individuals+with+the+genetic+marker+for+Huntington's+disease.">Oculomotor control in asymptomatic and recently diagnosed individuals with the genetic marker for Huntington's disease.</a> Vision Research. 44, 2729-2736 (2004).</li><li>Chan, F., Armstrong, I. T., Pari, G., Riopelle, R. J., Munoz, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deficits+in+saccadic+eye-movement+control+in+Parkinson's+disease.">Deficits in saccadic eye-movement control in Parkinson's disease.</a> Neuropsychologia. 43, 784-796 (2005).</li><li>Antoniades, C. A., Demeyere, N., Kennard, C., Humphreys, G. W., Hu, M. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Antisaccades+and+executive+dysfunction+in+early+drug-naive+Parkinson's+disease:+The+discovery+study.">Antisaccades and executive dysfunction in early drug-naive Parkinson's disease: The discovery study.</a> Mov Disord. , (2015).</li><li>Antoniades, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+internationally+standardised+antisaccade+protocol.">An internationally standardised antisaccade protocol.</a> Vision Res. 84, 1-5 (2013).</li><li>Ober, J. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hand-Held+system+for+ambulatory+measurement+of+saccadic+durations+of+neurological+patients.+.">Hand-Held system for ambulatory measurement of saccadic durations of neurological patients. .</a> Modelling and Measurement in Medicine. , (2003).</li><li>Temperli, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=How+do+parkinsonian+signs+return+after+discontinuation+of+subthalamic+DBS.">How do parkinsonian signs return after discontinuation of subthalamic DBS.</a> Neurology. 60, 78-81 (2003).</li><li>Antoniades, C. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deep+brain+stimulation:+eye+movements+reveal+anomalous+effects+of+electrode+placement+and+stimulation.">Deep brain stimulation: eye movements reveal anomalous effects of electrode placement and stimulation.</a> PLoS ONE. 7, e32830 (2012).</li><li>Yugeta, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+STN+stimulation+on+the+initiation+and+inhibition+of+saccade+in+Parkinson+disease.">Effects of STN stimulation on the initiation and inhibition of saccade in Parkinson disease.</a> Neurology. 74, 743-748 (2010).</li><li>Terao, Y., Fukuda, H., Ugawa, Y., Hikosaka, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+perspectives+on+the+pathophysiology+of+Parkinson's+disease+as+assessed+by+saccade+performance:+a+clinical+review.">New perspectives on the pathophysiology of Parkinson's disease as assessed by saccade performance: a clinical review.</a> Clin Neurophysiol. 124, 1491-1506 (2013).</li><li>Temel, Y., Visser-Vandewalle, V., Carpenter, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Saccadic+latency+during+electrical+stimulation+of+the+human+subthalamic+nucleus.">Saccadic latency during electrical stimulation of the human subthalamic nucleus.</a> Curr Biol. 18, 412-414 (2008).</li><li>Antoniades, C. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deep+brain+stimulation+abolishes+slowing+of+reactions+to+unlikely+stimuli.">Deep brain stimulation abolishes slowing of reactions to unlikely stimuli.</a> J Neurosci. 34, 10844-10852 (2014).</li><li>Rivaud-Pechoux, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improvement+of+memory+guided+saccades+in+parkinsonian+patients+by+high+frequency+subthalamic+nucleus+stimulation.">Improvement of memory guided saccades in parkinsonian patients by high frequency subthalamic nucleus stimulation.</a> J Neurol Neurosurg Psychiatry. 68, 381-384 (2000).</li><li>Takikawa, Y., Kawagoe, R., Itoh, H., Nakahara, H., Hikosaka, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modulation+of+saccadic+eye+movements+by+predicted+reward+outcome.">Modulation of saccadic eye movements by predicted reward outcome.</a> Experimental brain research. Experimentelle Hirnforschung. 142, 284-291 (2002).</li><li>Dorris, M. C., Munoz, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+neural+correlate+for+the+gap+effect+on+saccadic+reaction+times+in+monkey.">A neural correlate for the gap effect on saccadic reaction times in monkey.</a> Journal of Neurophysiology. 73, 2558-2562 (1995).</li><li>Hanes, D. P., Schall, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Countermanding+saccades+in+macaque.">Countermanding saccades in macaque.</a> Visual Neuroscience. 12, 929-937 (1995).</li><li>Opris, I., Barborica, A., Ferrera, V. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+gap+effect+for+saccades+evoked+by+electrical+microstimulation+of+frontal+eye+fields+in+monkeys.">On the gap effect for saccades evoked by electrical microstimulation of frontal eye fields in monkeys.</a> Experimental brain research. Experimentelle Hirnforschung. 138, 1-7 (2001).</li><li>Takagi, M., Frohman, E. M., Zee, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gap-overlap+effects+on+latencies+of+saccades,+vergence+and+combined+vergence-saccades+in+humans.">Gap-overlap effects on latencies of saccades, vergence and combined vergence-saccades in humans.</a> Vision Res. 35, 3373-3388 (1995).</li><li>Schall, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neuronal+activity+related+to+visually+guided+saccades+in+the+frontal+eye+fields+of+rhesus+monkeys:+comparison+with+supplementary+eye+fields.">Neuronal activity related to visually guided saccades in the frontal eye fields of rhesus monkeys: comparison with supplementary eye fields.</a> Journal of Neurophysiology. 66, 559-579 (1991).</li><li>Pare, M., Hanes, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+movement+processing:+superior+colliculus+activity+associated+with+countermanded+saccades.">Controlled movement processing: superior colliculus activity associated with countermanded saccades.</a> J Neurosci. 23, 6480-6489 (2003).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Der wichtigste Faktor in der guten Qualität saccadische Daten zu erhalten, ist sicherzustellen, dass die dem Teilnehmer gegebenen Anweisungen sind klar und präzise. wenn die Anweisungen für die antisaccadic Aufgabe Zum Beispiel sind nicht ganz klar, ist der Teilnehmer wahrscheinlich prosaccades stattdessen auszuführen. Aufzeichnungen können auch verdorben sein, wenn der Teilnehmer nicht eindeutig die Reize oder die saccadometer können Augenposition nicht genau messen zu sehen. So, wenn die Daten als von niedriger Qualität angezeigt werden sollte der Experimentator prüfen, ob das Umgebungslicht nicht zu hell ist, und dass die saccadometer sitzt richtig auf der Brücke der Nase. Tiefe Hirnstimulation ermöglicht die direkte Änderung der neuronalen Aktivität an einer verschiedenen Orten in den Basalganglien. In Verbindung mit Geräten, die Augenbewegungen genau und objektiv zu quantifizieren, können DBS verwendet werden, um die normale und abnormale Funktion dieser Hirnareale zu untersuchen. ExperimenteVerwendung saccadometry in Verbindung mit DBS müssen häufig zu kämpfen mit mehr als einer gleichzeitig unbekannt. Die Gehirne untersucht werden in unterschiedlichem Maße krank, und wir wissen nicht, für bestimmte der Mechanismus, durch den DBS seine Auswirkungen zu erzielen, mit Hypothesen einschließlich der Aktivierung von Neuronen im Bereich gezielte Blockade von Neuronen depolarisieren, die Stimulation der afferenten und / oder ableitenden Axone und komplexere Auswirkungen auf die Netzwerkaktivität. Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen sind häufig auf Medikamente und dies wird für Patienten mit Parkinson-Patienten fast universell sein, die DBS-Systeme haben. Sakkaden werden durch Anti-Parkinson-Medikamente betroffen, und um eine gültige Beurteilung der Auswirkungen von DBS auf saccadische Parameter, Medikamente Zustand müssen ähnlich sein, wenn sie mit DBS Prüfung auf und DBS aus. Das bedeutet entweder das Thema alle Medikamente für die Dauer der Prüfung ab (einschließlich einer Wartezeit vorher) oder auch die Durchführung auf dem DBS und off-DBS-Tests innerhalb einer angemessen kurzen Zeitraum. Es hat sich gezeigt , daß die vollständige Ausschalten der Wirkungen von DBS trägt auf Sakkaden mehrere Stunden in Anspruch nimmt , aber die meisten der Änderung erfolgt innerhalb von 30 min 10. Der zeitliche Verlauf schlägt mehrere Mechanismen mit unterschiedlichen Zeitkurse, von sehr schnell (elektrische Effekte) auf viel mehr verlängert (zB Proteinsynthese). Die 30 min in dem Protokoll vorgeschlagen werden daher die meisten der DBS induzierte Änderung zu erfassen, und ist viel kürzer als die typische Dosierungsintervall von mehreren Stunden. Es gibt nicht genügend Zeit für die langsameren Mechanismen zur stationären Zustand zu regeln, und in größeren Abständen erneut getestet Bereitstellung Einblick in diese Mechanismen nützlich sein können. Bei längeren Lücken konnte man nicht, dass Medikamente Ebenen übernehmen, während die Prüfung an und aus DBS waren ungefähr gleich, so dass längere Intervalle sind wahrscheinlich einfacher sein, wenn Medikamente testen off zu interpretieren. Die meiste Literatur über die efFolgen des DBS auf Augenbewegungen hat sich auf Hochfrequenzstimulation des Nucleus subthalamicus in PD fokussiert. Prosaccadic Latenz wird in PD verlängert und es ist bekannt, dass STN DBS es in Richtung Normalwerte deutlich reduzieren kann (genau, wie man Debatte offen bleibt). Allerdings , wenn saccadometry in der frühen postoperativen Phase durchgeführt wird , innerhalb von Stunden bis Tagen nach der Leitungseinführung und vor dem elektrischen Stimulation eingeschaltet ist, wird festgestellt , dass Latenzen sind tatsächlich erhöht 11. Elektrodeninsertion verursacht Ödeme und dies führt zu vorübergehenden Funktions Ablation des Gehirns unmittelbar die Elektrode umgibt; dies setzt sich innerhalb weniger Wochen und Sakkaden Parameter zurück zur Basislinie (Stimulatoren der Operation bis vor ein paar Wochen häufig nicht eingeschaltet diesmal absetzen zu lassen). Die Gegensätzlichkeit der Wirkungen von Elektrodeneinführungs und Stimulation ist von großem Interesse, weil sie zeigt, daß einer der Theorien vorher zu erklären, wie voranDBS arbeitet, durch Blockade der stimulierten Struktur (dh funktionelle Ablation), kann seine Wirkmechanismus nicht umfassend erklären. Andere Studien haben ähnliche Effekte 12-14 gefunden. Es ist möglich , Experimente zu konstruieren DBS kombiniert und saccadometry normale Physiologie zu untersuchen. Große Sorgfalt muss mit experimentellen Design und Interpretation der Ergebnisse genommen werden, da die Versuchsperson notwendigerweise eine gewisse neurologische Erkrankung hat. Ein Ansatz ist es, die Ergebnisse der Sakkaden-Tests mit DBS aus und zu den Ergebnissen von gesunden Kontrollpersonen ohne DBS zu vergleichen. Wenn die Ergebnisse in DBS Subjekten mit ihren Stimulatoren off diejenigen in der Kontrollgruppe ähnlich gedreht wird, dann ist es sinnvoll auf der Basis ausgehen, dass in Reaktion auf DBS in die Augenbewegungen ändert gesehen werden wahrscheinlich ähnlich denen sein, die, wenn das Experiment gesehen werden würde konnte bei den Teilnehmern ohne Krankheit durchgeführt werden. Zum Beispiel kann die Leistung in einem ProSakkaden Aufgabe, die so eingerichtet ist, dass der visuelle Reiz wahrscheinlicher ist, auf der einen Seite als die andere zu erscheinen, für gesunde Teilnehmer und PD-Patienten mit STN DBS Systeme vorhanden ähnlich ist, aber ausgeschaltet. Latenzen verkürzen für Sakkaden in die Richtung, wo das Ziel ist eher, zu erscheinen und in den weniger wahrscheinlichen Richtung zu verlängern. Wenn die Systeme eingeschaltet sind, verschwindet die Verlängerung der Latenzzeit in der weniger wahrscheinlich Richtung und die Interpretation war , dass die STN 15 eine Wahrscheinlichkeitsnormalisierungsfunktion durchführt. Die Patienten in dieser Studie hatten PD, aber das war nicht direkt relevant für das Ergebnis. Natürlich ist dies eine wesentliche Annahme und es ist möglich, dass die Krankheit die Reaktion auf die DBS moduliert, obwohl es nicht die Basisleistung nicht beeinträchtigte. Weiterhin ist die Ähnlichkeit der off-DBS und Steuerdaten kann das Ergebnis der Kompensationsmechanismen sein, anstatt eine fehlende Wirkung der Pathologie der Parameter gemessen wird. Die Ergebnisse müssen intIn diesem Sinne erpreted. Sobald die Grund im Protokoll beschriebenen Techniken haben das Konzept gemeistert wurden, können auf komplexere Paradigmen erweitert werden. Viele verschiedene sakkadische Aufgaben wurden von dem die Wahrscheinlichkeit anhand Aufgabe in dem vorherigen Absatz beschrieben entwickelt ist nur eine. Weitere Beispiele sind Speicher geführte Sakkaden 16 ( mit Blick auf die erinnerte Position eines Stimulus, der nicht mehr da ist) oder belohnungsbasierten saccadische Aufgaben entwickelt , um limbischen Funktion 17 aufrufen. Hier haben wir eine der einfachsten saccadische Aufgaben beschrieben, wurde eine 10-Grad-visuell geführten horizontalen Schrittaufgabe. Viele Modifikationen der Aufgabe sind möglich , wie beispielsweise eine zeitliche Lücke zwischen Fixationspunkt Verschwinden Einsetzen und peripheren Ziel Aussehen 18-20 oder einer Überlappung 21 , in dem Fixationspunkt und seitlichen Ziel gleichzeitig vorhanden sind. Paradigmen dieser Art wurden verwendet, um s zu verstehenaccadic Initiierung und neuronalen Korrelate wurden in den frontalen Augenfelder 20,22 und den Colliculus superior 23 beobachtet. Eine detaillierte Diskussion der verschiedenen Verwendungen verschiedener sakkadische Paradigmen geht über den Rahmen dieses Artikels; eine Überprüfung 1 zu sehen. Saccadometry hat breite Anwendung außerhalb der seine Verwendung in der DBS. Sakkadische Wege beinhalten mehrere Teile der Basalganglien und sakkadische Änderungen sind eine potentielle Biomarker für jede Bedingung, die Schäden oder die Funktion dieser Strukturen stört. Saccadometry beispielsweise ist für den Einsatz in neurodegenerativen Erkrankungen einschließlich PD, Huntington-Krankheit, frontotemporalen Demenz, amyotrophe Lateralsklerose sowie in Kopfverletzung und bei Stoffwechselstörungen, einschließlich hepatischer Enzephalopathie sucht. Abschließend ist saccadometry ein nützliches quantitatives Werkzeug von selbst, sondern es mit tiefen Hirnstimulation Kombination eröffnet eine Reihe von experimen uptal Ansätze, die sowohl auf die Gehirnfunktion ein neues Licht kann in Gesundheit und Krankheit.

In den letzten Jahren gab es bei der Verwendung von Messungen von Reaktionszeiten als quantitative und nicht-invasive Art und Weise zu gewinnen , Informationen über die hohen Ebene Mechanismen der neuronalen Entscheidung zunehmendes Interesse 1 zu machen. Eine Art von Reaktionszeit, die intensiv untersucht worden ist, ist die Zeit für eine Sakkaden bei Vorlage eines visuellen Stimulus zu initiieren, wie Sakkaden Latenz bekannt. Sakkaden sind die schnellen Augenbewegungen, die auftreten, wenn wir schnell unseren Blick von einem Ort zum anderen zu verschieben. Sie sind die häufigste Art von Augenbewegungen machen wir bei einer Frequenz auftreten, von typischerweise zwei oder drei pro Sekunde. Jeder Sakkaden ist in der Tat eine Entscheidung auf ein Stichwort in der visuellen Welt zu betrachten und nicht als eine andere 2. Die Nervenbahnen Augenbewegungen zu steuern wurden ausführlich untersucht und sind recht gut 3 dokumentiert. Mit empfindlichen elektronischen Geräten, können Aspekte der oculomotor Funktion sein präzise und objectively quantifiziert. Dies erleichtert die detaillierte Untersuchung der Augenbewegungen selbst, sondern ermöglicht es auch, sie als Werkzeug verwendet werden, um andere Bereiche der Neurophysiologie und Pathophysiologie zu untersuchen. Augenbewegungsmessung können alle notwendigen Informationen über Krankheitszustände liefern. Sakkadische Augenbewegungen kürzlich zum Beispiel viel Aufmerksamkeit als potentielle Biomarker in neurodegenerativen Erkrankungen einschließlich Huntington-4,5 und Parkinson-Krankheiten 6,7, und es ist bekannt, dass sakkadische Reaktions mal langsamer zu sein neigen als normal in diesen Bedingungen. Einsatzmöglichkeiten von Sakkaden Messung umfassen Hilfsmittel zur Diagnose und Krankheit Verfolgung. Sakkadische Aufgaben reichen von der einfachen prosaccade (Suche so schnell wie möglich in Richtung auf eine plötzlich visuellen Reizes nach links oder rechts erscheine) zu komplexeren Aufgaben wie die Antisakkaden (Suche so schnell wie möglich auf die andere Seite auf einen visuellen Reiz) oder Gedächtnis- geführte Sakkaden (Blickin Richtung der zu merkenden Ort eines Ziels, das nicht mehr da ist). Tiefe Hirnstimulation ist eine wirksame Behandlung für mehrere neurologische Zustände. Es wird am häufigsten zur Behandlung der motorischen Symptome der Parkinson-Krankheit, einschließlich Tremor, Rigor, Bradykinesie und Dyskinesie verwendet. Es ist auch für andere Bewegungsstörungen einschließlich Dystonie und essentiellem Tremor, und weniger häufig für neuropathische Schmerzen, Epilepsie und psychiatrischen Erkrankungen wie Zwangsstörungen eingesetzt. Es ist die einzige Einstellung , in denen Wissenschaftler einen direkten elektrischen Zugang zu tiefen Strukturen des menschlichen Gehirns in vivo und bietet somit eine wertvolle Gelegenheit für experimentelle Neurologie haben. Eine Vielzahl von Zielen auf der Bedingung stimulierte abhängig, die behandelt, einschließlich mehreren Stellen in den Basalganglien, von denen viele in oculomotor Wegen beteiligt sind. Dies bedeutet, dass ein breites Spektrum von Studien können mit dem DBS-System durchgeführt werden Stimulation zu liefernzu einem bestimmten Gehirn Lage und ein Eye-Tracking-Gerät aufzeichnen und seine Auswirkungen zu analysieren. Je nach experimentellen Paradigmen können solche Studien liefern Informationen über die Physiologie der Region stimuliert wird, die Auswirkungen der Krankheit oder der Mechanismus, durch den DBS wird in dieser bestimmten Umgebung zu arbeiten. Dieser Artikel beschreibt einen allgemeinen Ansatz zu Sakkaden Augenbewegung in Deep Brain Stimulation Patienten. Mehrere verschiedene Arten von Eye-Tracking-Geräte stehen zur Verfügung. Für die Forschung in diesem Protokoll beschrieben wurde ein tragbares saccadometer verwendet horizontale Sakkaden Augenbewegungen aufzuzeichnen. Tragbare saccadometers haben den Vorteil , nicht Kopfstütze erforderlich ist (siehe Abbildung 1), was bedeutet , dass die Sitzungen sind bequemer für Patienten mit Parkinson-Krankheit, vor allem für diejenigen mit schweren Dyskinesien leiden. Der hier verwendete saccadometer ist leicht und etwa 5 cm breit und 10 cm hoch. Die saccadometer measures Augenbewegungen durch die Verwendung von direkter Infrarot Okulographie: einer Infrarotquelle und vor dem medialen Augenwinkel Gebrauch Licht reflektiert positioniert Sensor von der Hornhaut in Millisekunden-Intervallen um die Drehposition des Augapfels zu etablieren. Um eine gute Qualität Daten für die Analyse zu erwerben die saccadometer sollte mit mindestens einem 12-Bit-Auflösung mit einer Geschwindigkeit von mindestens 1 kHz abzutasten. Im saccadometer hier die visuellen Reize verwendet wurden , waren drei rote 13 cd m -2 Lichtflecken durch im Low - Power - Laser gebaut erzeugt, wobei jeder Punkt ein paar 0,1 Grad, mit einem Punkt in der Mittellinie und die beiden anderen bei ± 10 Grad aufspannt (dh nach rechts und links). <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/53640/53640fig1.jpg" /> Abbildung 1. Die Saccadometer. Kopf montiert saccadometer an einem elastischen Band und ruht auf der Brücke der Nase. Vier Miniaturlaser projizieren visuelle Ziels auf eine matte Oberfläche, und die Augenbewegungen des Teilnehmers durch Differentialinfrarotreflexions Wandler auf der nasalen Seite jedes Auges gemessen. Da die Laser Ziele mit dem Kopf bewegen, Kopfstützen sind nicht erforderlich. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53640/53640fig1large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53640/53640fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

<table><tbody><tr><td>Saccadometer device</td><td>Ober Consulting Poland</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Computer with Windows environment</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Software, Latency Meter for downloading the raw data from the saccadometer</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

using saccadometry with deep brain stimulation to study normal and pathological brain function

The oculomotor system involves a large number of brain areas including parts of the basal ganglia, and various neurodegenerative diseases including Parkinson's and Huntington's can disrupt it. People with Parkinson's disease, for example, tend to have increased saccadic latencies. Consequently, the quantitative measurement of saccadic eye movements has received considerable attention as a potential biomarker for neurodegenerative conditions. A lot more can be learned about the brain in both health and disease by observing what happens to eye movements when the function of specific brain areas is perturbed. Deep brain stimulation is a surgical intervention used for the management of a range of neurological conditions including Parkinson's disease, in which stimulating electrodes are placed in specific brain areas including several sites in the basal ganglia. Eye movement measurements can then be made with the stimulator systems both off and on and the results compared. With suitable experimental design, this approach can be used to study the pathophysiology of the disease being treated, the mechanism by which DBS exerts it beneficial effects, and even aspects of normal neurophysiology.

Figur 3 zeigt ein Beispiel von sakkadischen Augenbewegungsbahnen von einer Parkinson-Krankheit Patienten mit einem Nucleus subthalamicus DBS - System implantiert. Die beiden Diagramme der prosaccades des Patienten Plots mit dem Stimulator System (obere Grafik) ausgeschaltet und eingeschaltet (untere Grafik). Jede Spur auf dem Graphen zeigt die Trajektorie eines einzelnen Sakkade, dh wie die Augenposition in Grad von der Mittellinie (y - Achse) weg als Funktion der Zeit ändert (x - Achse). Sowohl nach links und rechts Sakkaden sind in dem Diagramm als Auslenkungen positive Gradwerten dargestellt. Zeit Null ist der Moment, das zentrale Ziel verschwindet und die Peripherie-Ziel erscheint. Das Intervall zwischen diesem und dem Beginn der Sakkade (dem Moment, wenn die Spur von Null Grad umlenkt) wird sakkadische Latenz bezeichnet wird, und die Haupt Beobachtung ist, dass die Verteilung der Sakkaden verändert, wenn der Stimulator eingeschaltet ist, mit einer reduction in der Anzahl der langen Latenz Sakkaden und eine entsprechende Abnahme in der mittleren Verweilzeit. <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/53640/53640fig3.jpg" /> Abbildung 3. Prosaccadic Trajektorie Ergebnisse. Dies zeigt die Sakkaden Augenbewegung Latenz ergibt sich aus einer Parkinson - Patienten nach Deep Brain Stimulation des Nucleus subthalamicus unterziehen. UPPER die Latenz Profil des Patienten zeigt , wenn der Stimulator ausgeschaltet ist NIEDER zeigt die Latenz Profil des gleichen Patienten , wenn der Stimulator eingeschaltet ist. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53640/53640fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53640/53640fig3large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Using Saccadometry with Deep Brain Stimulation to Study Normal and Pathological Brain Function at JoVE.com

Using Saccadometry with Deep Brain Stimulation to Study Normal and Pathological Brain Function

This paper describes the use of quantitative measurement of eye movements in conjunction with stimulation of focal areas of the deep brain in order to study physiology, pathophysiology, and the mechanisms of deep brain stimulation.

Mit Saccadometry mit Deep Brain Stimulation Normale und Pathologische Funktion des Gehirns zu studieren

The oculomotor system involves a large number of brain areas including parts of the basal ganglia, and various neurodegenerative diseases including ...

using-saccadometry-with-deep-brain-stimulation-to-study-normal

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Medicine

7.4K Aufrufe.  The University of Oxford. This paper describes the use of quantitative measurement of eye movements in conjunction with stimulation of focal areas of the deep brain in order to study physiology, pathophysiology, and the mechanisms of deep brain stimulation.

Serie: Using Saccadometry with Deep Brain Stimulation to Study Normal and Pathological Brain Function

Intra-Operative Behavioral Tasks in Awake Humans Undergoing Deep Brain Stimulation Surgery

Deep brain stimulation (DBS) is a surgical procedure that directs chronic, high frequency electrical stimulation to specific targets in the brain through implanted electrodes. Deep brain stimulation was first implemented as a therapeutic modality by Benabid et al. in the late 1980s, when he used this technique to stimulate the ventral intermediate nucleus of the thalamus for the treatment of tremor 1. Currently, the procedure is used to treat patients who fail to respond adequately to medical management for diseases such as Parkinson's, dystonia, and essential tremor. The efficacy of this procedure for the treatment of Parkinson's disease has been demonstrated in well-powered, randomized controlled trials 2. Presently, the U.S. Food and Drug Administration has approved DBS as a treatment for patients with medically refractory essential tremor, Parkinson's disease, and dystonia. Additionally, DBS is currently being evaluated for the treatment of other psychiatric and neurological disorders, such as obsessive compulsive disorder, major depressive disorder, and epilepsy. 
DBS has not only been shown to help people by improving their quality of life, it also provides researchers with the unique opportunity to study and understand the human brain. Microelectrode recordings are routinely performed during DBS surgery in order to enhance the precision of anatomical targeting. Firing patterns of individual neurons can therefore be recorded while the subject performs a behavioral task. Early studies using these data focused on descriptive aspects, including firing and burst rates, and frequency modulation 3. More recent studies have focused on cognitive aspects of behavior in relation to neuronal activity 4,5. This article will provide a description of the intra-operative methods used to perform behavioral tasks and record neuronal data with awake patients during DBS cases. Our exposition of the process of acquiring electrophysiological data will illuminate the current scope and limitations of intra-operative human experiments.

Deep brain stimulation surgery offers a unique opportunity to examine information encoding in the awake human brain. This article will describe intra-operative methods used to perform cognitive and behavioral tasks while simultaneously acquiring physiological data such as EMG, single-unit neuronal activity and/or local field potentials.

Intra-Operative Behavioral Aufgaben in Awake Humans Undergoing Deep Brain Stimulation Chirurgie

Deep brain stimulation (DBS) is a surgical procedure that directs chronic, high frequency electrical stimulation to specific targets in the brain through ...

Forschung

Medizin

Combined Invasive Subcortical and Non-invasive Surface Neurophysiological Recordings for the Assessment of Cognitive and Emotional Functions in Humans

In spite of the success in applying non-invasive electroencephalography (EEG), magneto-encephalography (MEG) and functional magnetic resonance imaging (fMRI) for extracting crucial information about the mechanism of the human brain, such methods remain insufficient to provide information about physiological processes reflecting cognitive and emotional functions at the subcortical level. In this respect, modern invasive clinical approaches in humans, such as deep brain stimulation (DBS), offer a tremendous possibility to record subcortical brain activity, namely local field potentials (LFPs) representing coherent activity of neural assemblies from localized basal ganglia or thalamic regions. Notwithstanding the fact that invasive approaches in humans are applied only after medical indication and thus recorded data correspond to altered brain circuits, valuable insight can be gained regarding the presence of intact brain functions in relation to brain oscillatory activity and the pathophysiology of disorders in response to experimental cognitive paradigms. In this direction, a growing number of DBS studies in patients with Parkinson&#39;s disease (PD) target not only motor functions but also higher level processes such as emotions, decision-making, attention, memory and sensory perception. Recent clinical trials also emphasize the role of DBS as an alternative treatment in neuropsychiatric disorders ranging from obsessive compulsive disorder (OCD) to chronic disorders of consciousness (DOC). Consequently, we focus on the use of combined invasive (LFP) and non-invasive (EEG) human brain recordings in assessing the role of cortical-subcortical structures in cognitive and emotional processing trough experimental paradigms (e.g. speech stimuli with emotional connotation or paradigms of cognitive control such as the Flanker task), for patients undergoing DBS treatment.

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.

Kombinierte Invasive Subcortical und Nicht-invasive Oberflächenneurophysiologische Aufnahmen zur Beurteilung von kognitiven und emotionalen Funktionen beim Menschen

In spite of the success in applying non-invasive electroencephalography (EEG), magneto-encephalography (MEG) and functional magnetic resonance imaging ...

Verhalten

A Novel Approach to Assess Motor Outcome of Deep Brain Stimulation Effects in the Hemiparkinsonian Rat: Staircase and Cylinder Test

Deep brain stimulation of the subthalamic nucleus is an effective treatment option for Parkinson&#39;s disease. In our lab we established a protocol to screen different neurostimulation patterns in hemiparkinsonian (unilateral lesioned) rats. It consists of creating a unilateral Parkinson&#39;s lesion by injecting 6-hydroxydopamine (6-OHDA) into the right medial forebrain bundle, implanting chronic stimulation electrodes into the subthalamic nucleus and evaluating motor outcomes at the end of 24 hr periods of cable-bound external neurostimulation. The stimulation was conducted with constant current stimulation. The amplitude was set 20% below the individual threshold for side effects. The motor outcome evaluation was done by the assessment of spontaneous paw use in the cylinder test according to Shallert and by the assessment of skilled reaching in the staircase test according to Montoya. This protocol describes in detail the training in the staircase box, the cylinder test, as well as the use of both in hemiparkinsonian rats. The use of both tests is necessary, because the staircase test seems to be more sensitive for fine motor skill impairment and exhibits greater sensitivity to change during neurostimulation. The combination of the unilateral Parkinson model and the two behavioral tests allows the assessment of different stimulation parameters in a standardized way.

Deep brain stimulation (DBS) is an effective treatment option for Parkinson's disease. We established a study design to screen novel stimulation paradigms in rats. The protocol describes the use of the staircase test and cylinder test for motor outcome assessment in DBS treated hemiparkinsonian rats.

Ein neuer Ansatz Motor Ergebnis der tiefen Hirnstimulation Effekte in der Hemiparkinsonian Rat zur Bewertung: Treppe und Zylinder-Test

Deep brain stimulation of the subthalamic nucleus is an effective treatment option for Parkinson&#39;s disease. In our lab we established a protocol to ...

Controlling Parkinson's Disease With Adaptive Deep Brain Stimulation

Adaptive deep brain stimulation (aDBS) has the potential to improve the treatment of Parkinson&#39;s disease by optimizing stimulation in real time according to fluctuating disease and medication state. In the present realization of adaptive DBS we record and stimulate from the DBS electrodes implanted in the subthalamic nucleus of patients with Parkinson&#39;s disease in the early post-operative period. Local field potentials are analogue filtered between 3 and 47 Hz before being passed to a data acquisition unit where they are digitally filtered again around the patient specific beta peak, rectified and smoothed to give an online reading of the beta amplitude. A threshold for beta amplitude is set heuristically, which, if crossed, passes a trigger signal to the stimulator. The stimulator then ramps up stimulation to a pre-determined clinically effective voltage over 250 msec and continues to stimulate until the beta amplitude again falls down below threshold. Stimulation continues in this manner with brief episodes of ramped DBS during periods of heightened beta power.
Clinical efficacy is assessed after a minimum period of stabilization (5 min) through the unblinded and blinded video assessment of motor function using a selection of scores from the Unified Parkinson&#39;s Rating Scale (UPDRS). Recent work has demonstrated a reduction in power consumption with aDBS as well as an improvement in clinical scores compared to conventional DBS. Chronic aDBS could now be trialed in Parkinsonism.

Adaptive deep brain stimulation (aDBS) is effective for Parkinson&#8217;s disease, improving symptoms and reducing power consumption compared to conventional deep brain stimulation (cDBS). In aDBS we track a local field potential biomarker (beta oscillatory amplitude) in real time and use this to control the timing of stimulation.

Controlling Parkinson-Krankheit mit Adaptive Tiefe Hirnstimulation

Adaptive deep brain stimulation (aDBS) has the potential to improve the treatment of Parkinson&#39;s disease by optimizing stimulation in real time ...

Deep Brain Stimulation with Simultaneous fMRI in Rodents

In order to visualize the global and downstream neuronal responses to deep brain stimulation (DBS) at various targets, we have developed a protocol for using blood oxygen level dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI) to image rodents with simultaneous DBS. DBS fMRI presents a number of technical challenges, including accuracy of electrode implantation, MR artifacts created by the electrode, choice of anesthesia and paralytic to minimize any neuronal effects while simultaneously eliminating animal motion, and maintenance of physiological parameters, deviation from which can confound the BOLD signal.&#160;Our laboratory has developed a set of procedures that are capable of overcoming most of these possible issues. For electrical stimulation, a homemade tungsten bipolar microelectrode is used, inserted stereotactically at the stimulation site in the anesthetized subject. In preparation for imaging, rodents are fixed on a plastic headpiece and transferred to the magnet bore. For sedation and paralysis during scanning, a cocktail of dexmedetomidine and pancuronium is continuously infused, along with a minimal dose of isoflurane; this preparation minimizes the BOLD ceiling effect of volatile anesthetics. In this example experiment, stimulation of the subthalamic nucleus (STN) produces BOLD responses which are observed primarily in ipsilateral cortical regions, centered in motor cortex. Simultaneous DBS and fMRI allows the unambiguous modulation of neural circuits dependent on stimulation location and stimulation parameters, and permits observation of neuronal modulations free of regional bias. This technique may be used to explore the downstream effects of modulating neural circuitry at nearly any brain region, with implications for both experimental and clinical DBS.

This protocol describes a standard method for simultaneous functional magnetic resonance imaging and deep brain stimulation in the rodent. The combined use of these experimental tools allows for the exploration of global downstream activity in response to electrical stimulation at virtually any brain target.

Deep Brain Stimulation mit gleichzeitiger fMRT in Nagetiere

In order to visualize the global and downstream neuronal responses to deep brain stimulation (DBS) at various targets, we have developed a protocol for ...

Neurowissenschaften

Analysis of Gene Expression Changes in the Rat Hippocampus After Deep Brain Stimulation of the Anterior Thalamic Nucleus

Deep brain stimulation (DBS) surgery, targeting various regions of the brain such as the basal ganglia, thalamus, and subthalamic regions, is an effective treatment for several movement disorders that have failed to respond to medication. Recent progress in the field of DBS surgery has begun to extend the application of this surgical technique to other conditions as diverse as morbid obesity, depression and obsessive compulsive disorder. Despite these expanding indications, little is known about the underlying physiological mechanisms that facilitate the beneficial effects of DBS surgery. One approach to this question is to perform gene expression analysis in neurons that receive the electrical stimulation. Previous studies have shown that neurogenesis in the rat dentate gyrus is elicited in DBS targeting of the anterior nucleus of the thalamus1. DBS surgery targeting the ATN is used widely for treatment refractory epilepsy. It is thus of much interest for us to explore the transcriptional changes induced by electrically stimulating the ATN. In this manuscript, we describe our methodologies for stereotactically-guided DBS surgery targeting the ATN in adult male Wistar rats. We also discuss the subsequent steps for tissue dissection, RNA isolation, cDNA preparation and quantitative RT-PCR for measuring gene expression changes. This method could be applied and modified for stimulating the basal ganglia and other regions of the brain commonly clinically targeted. The gene expression study described here assumes a candidate target gene approach for discovering molecular players that could be directing the mechanism for DBS.

The mechanism underlying the therapeutic effects of Deep Brain Stimulation (DBS) surgery needs investigation. The methods presented in this manuscript describe an experimental approach to examine the cellular events triggered by DBS by analyzing the gene expression profile of candidate genes that can facilitate neurogenesis post DBS surgery.

Die Analyse der Genexpression Veränderungen im Hippocampus Ratte nach Tiefenhirnstimulation des Anterior Thalamuskern

Deep brain stimulation (DBS) surgery, targeting various regions of the brain such as the basal ganglia, thalamus, and subthalamic regions, is an effective ...

Investigating the Function of Deep Cortical and Subcortical Structures Using Stereotactic Electroencephalography: Lessons from the Anterior Cingulate Cortex

Stereotactic Electroencephalography (SEEG) is a technique used to localize seizure foci in patients with medically intractable epilepsy. This procedure involves the chronic placement of multiple depth electrodes into regions of the brain typically inaccessible via subdural grid electrode placement. SEEG thus provides a unique opportunity to investigate brain function. In this paper we demonstrate how SEEG can be used to investigate the role of the dorsal anterior cingulate cortex (dACC) in cognitive control. We include a description of the SEEG procedure, demonstrating the surgical placement of the electrodes. We describe the components and process required to record local field potential (LFP) data from consenting subjects while they are engaged in a behavioral task. In the example provided, subjects play a cognitive interference task, and we demonstrate how signals are recorded and analyzed from electrodes in the dorsal anterior cingulate cortex, an area intimately involved in decision-making. We conclude with further suggestions of ways in which this method can be used for investigating human cognitive processes.

Stereotactic Electroencephalography (SEEG) is an operative technique used in epilepsy surgery to help localize seizure foci. It also affords a unique opportunity to investigate brain function. Here we describe how SEEG can be used to investigate cognitive processes in human subjects.

Die Untersuchung der Funktion von Deep kortikalen und subkortikalen Strukturen Mit Stereotaktische Elektroenzephalographie: Lehren aus der anterioren cingulären Cortex

Stereotactic Electroencephalography (SEEG) is a technique used to localize seizure foci in patients with medically intractable epilepsy. This procedure ...

Microelectrode Guided Implantation of Electrodes into the Subthalamic Nucleus of Rats for Long-term Deep Brain Stimulation

Deep brain stimulation (DBS) is a widely used and effective therapy for several neurologic disorders, such as idiopathic Parkinson&#8217;s disease, dystonia or tremor. DBS is based on the delivery of electrical stimuli to specific deep anatomic structures of the central nervous system. However, the mechanisms underlying the effect of DBS remain enigmatic. This has led to an interest in investigating the impact of DBS in animal models, especially in rats. As DBS is a long-term therapy, research should be focused on molecular-genetic changes of neural circuits that occur several weeks after DBS. Long-term DBS in rats is challenging because the rats move around in their cage, which causes problems in keeping in place the wire leading from the head of the animal to the stimulator. Furthermore, target structures for stimulation in the rat brain are small and therefore electrodes cannot easily be placed at the required position. Thus, a set-up for long-lasting stimulation of rats using platinum/iridium electrodes with an impedance of about 1 M&#937; was developed for this study. An electrode with these specifications allows for not only adequate stimulation but also recording of deep brain structures to identify the target area for DBS. In our set-up, an electrode with a plug for the wire was embedded in dental cement with four anchoring screws secured onto the skull. The wire from the plug to the stimulator was protected by a stainless-steel spring. A swivel was connected to the circuit to prevent the wire from becoming tangled. Overall, this stimulation set-up offers a high degree of free mobility for the rat and enables the head plug, as well as the wire connection between the plug and the stimulator, to retain long-lasting strength.

A method for implanting electrodes into the subthalamic nucleus (STN) of rats is described. Better localization of the STN was achieved by using a microrecording system. Furthermore, a stimulation set-up is presented that is characterized by long-lasting connections between the head of the animal and the stimulator.

Mikroelektroden-geführte Implantation von Elektroden in den Nucleus subthalamicus des Rats für die Langzeit-Tiefe Hirnstimulation

Deep brain stimulation (DBS) is a widely used and effective therapy for several neurologic disorders, such as idiopathic Parkinson&#8217;s disease, ...

Targeting Neuronal Fiber Tracts for Deep Brain Stimulation Therapy Using Interactive, Patient-Specific Models

Deep brain stimulation (DBS), which involves insertion of an electrode to deliver stimulation to a localized brain region, is an established therapy for movement disorders and is being applied to a growing number of disorders. Computational modeling has been successfully used to predict the clinical effects of DBS; however, there is a need for novel modeling techniques to keep pace with the growing complexity of DBS devices. These models also need to generate predictions quickly and accurately. The goal of this project is to develop an image processing pipeline to incorporate structural magnetic resonance imaging (MRI) and diffusion weighted imaging (DWI) into an interactive, patient specific model to simulate the effects of DBS. A virtual DBS lead can be placed inside of the patient model, along with active contacts and stimulation settings, where changes in lead position or orientation generate a new finite element mesh and solution of the bioelectric field problem in near real-time, a timespan of approximately 10 seconds. This system also enables the simulation of multiple leads in close proximity to allow for current steering by varying anodes and cathodes on different leads. The techniques presented in this paper reduce the burden of generating and using computational models while providing meaningful feedback about the effects of electrode position, electrode design, and stimulation configurations to researchers or clinicians who may not be modeling experts.

The goal of this project is to develop an interactive, patient-specific modeling pipeline to simulate the effects of deep brain stimulation in near real-time and provide meaningful feedback as to how these devices influence neural activity in the brain.

Targeting neuronalen Faser Traktate für Deep Brain Stimulationstherapie mit interaktiven, patientenspezifische Modelle

Deep brain stimulation (DBS), which involves insertion of an electrode to deliver stimulation to a localized brain region, is an established therapy for ...

Biotechnik

An Invasive Method for the Activation of the Mouse Dentate Gyrus by High-frequency Stimulation

Electrical high-frequency stimulation (HFS), using implanted electrodes targeting various brain regions, has been proven as an effective treatment for various neurological and psychiatric disorders. HFS in the deep region of the brain, also named deep-brain stimulation (DBS), is becoming increasingly important in clinical trials. Recent progress in the field of high-frequency DBS (HF-DBS) surgery has begun to spread the possibility of utilizing this invasive technique to other situations, such as treatment for major depression disorder (MDD), obsessive-compulsive disorder (OCD), and so on. 
Despite these expanding indications, the underlying mechanisms of the beneficial effects of HF-DBS remain enigmatic. To address this question, one approach is to use implanted electrodes that sparsely activate distributed subpopulations of neurons by HFS. It has been reported that HFS in the anterior nucleus of the thalamus could be used for the treatment of refractory epilepsy in the clinic. The underlying mechanisms might be related to the increased neurogenesis and altered neuronal activity. Therefore, we are interested in exploring the physiological alterations by the detection of neuronal activity as well as neurogenesis in the mouse dentate gyrus (DG) before and after HFS treatment. 
In this manuscript, we describe methodologies for HFS to target the activation of the DG in mice, directly or indirectly and in an acute or chronic manner. In addition, we describe a detailed protocol for the preparation of brain slices for c-fos and Notch1 immunofluorescent staining to monitor the neuronal activity and signaling activation and for bromodeoxyuridine (BrdU) labeling to determine the neurogenesis after the HF-DBS induction. The activation of the neuronal activity and neurogenesis after the HF-DBS treatment provides direct neurobiological evidence and potential therapeutic benefits. Particularly, this methodology can be modified and applied to target other interested brain regions such as the basal ganglia and subthalamic regions for specific brain disorders in the clinic.

This protocol shows how to set up a reliable HFS method in mice. Neurons throughout the hippocampal dentate gyrus are electrically stimulated by HFS directly and indirectly in vivo. Neuronal activity and molecular signaling are examined by c-fos and Notch1 immunofluorescent staining, respectively; neurogenesis is quantified by bromodeoxyuridine labeling assay.

Eine Invasive Methode zur Aktivierung der Maus Dentate Gyrus durch hochfrequente Stimulation

Electrical high-frequency stimulation (HFS), using implanted electrodes targeting various brain regions, has been proven as an effective treatment for ...