Name: using saccadometry with deep brain stimulation to study normal and pathological brain function
Uploaded: 2016-07-14T13:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 44 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Using Saccadometry with Deep Brain Stimulation to Study Normal and Pathological Brain Function at JoVE.com

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.

ועדת האתיקה המקומית אישרה במחקר זה והודיע ​​הסכים התקבל המשתתפים כמפורט להלן בסעיף 1. 1. הסכמה משתתף <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לתת למשתתפי דף מידע המסביר בפירוט מה פגישת הבדיקות תכלול. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יש אחרי למשתתפי ההזדמנות לקרוא ולדון שאלות, בעיות או בנושאים אחרים הקשורים המשתתף שלהם במחקר, לעבור את טופס ההסכמה איתם, להסביר כל נקודה על טופס ההסכמה ולתת להם את ההזדמנות כדי לשאול שאלות הם אולי. שאל המשתתף למלא את הטופס. </li></ol> 2. הגדרת Saccadometer <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את המכשיר על ראשו של המטופל, מאובטח על ידי רצועה אלסטית מתכווננת נח על גשר האף. בגלל הגירויים להעביר בדיוק עם הראש, לא-משענת ראש היא הכרחית ואת המכשיר נוח אח&quot;לr. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בקש מהמטופל לשבת ב -1.5 מ &#39;ממסך מט שטוח. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ודא התאורה המפוזרת מעומעמת כך הגירויים (כתמי אור אדומים) נראים בבירור. </li></ol> 3. הקלטת מושב Saccadic הערה: כדוגמא פרוטוקול סטנדרטי שבודק הוא prosaccades ו antisaccades 8 מתואר כאן. פרוטוקול זה מורכב מחמישה רחובות: 60 prosaccades, 40 antisaccades x 3, ו -60 prosaccades עם הפסקה של 1 דק &#39;בין בלוקים. הטיפול נמשך כ -40 דקות. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדרת saccadometer כך עבור כל ניסוי יעד הקיבעון המרכזי מוצג לתקופה-קדמית אקראית של 1.0 - 2.0 שניות, ולאחר מכן היא מסולקת ואחד היעדים ההיקפיים מופיעה, באקראי 9 ימינה או שמאלה. הערה: השלושה היעדים הם כתמים של אור אדום מוקרן על המסך מול המשתתף (ראה 2.2) על ידי לייזרים מופעלים נמוכים המובנה בתוך saccadometer. Saccadometer AUTomatically מתגי הלייזרים לסירוגין כדי להציג / לכבות את מטרות הרצף ההכרחי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הדרך את המשתתף כי בדיקות מורכב מחמישה בלוקים עם הפסקה דקה אחת בין גושים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לפני הבלוק הראשון להורות המשתתף שברצונך להעביר עיניהם במהירות ובדיוק כפי ניתן להתחקות אחר הנקודה האדומה קופצת מהמרכז לצד זה או אחר וכן להורות להם לעשות פעמים 60 זה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את saccadometer כדי ליצור רצף של 60 ניסויים. לחצו על מקש על saccadometer להתחיל את הבלוק הראשון של הניסויים (prosaccades). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר השלמת הבלוק הראשון, להשאיר פער דקה אחת לפני הגוש השני. אפס את saccadometer כדי ליצור רצף של 40 ניסויים, ולקראת סוף הפער הדק אחת, להורות המשתתף עבור הבלוק הבא להזיז את העיניים שלהם מהר ככל האפשר בכיוון ההפוך אל הנקודה האדומה, ולהסביר כי הם יהיו יידרש לעשות 40 פעמים זה. הפעל את השניותבלוק ond של ניסויים (antisaccades). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר השלמת הבלוק השני, להשאיר פער 1 דקות נוספות, לחזור על ההוראה בשלב 3.5 ולהתחיל הבלוק השלישי של הניסויים (antisaccades). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר השלמת לחסום השלישי, להשאיר פער 1 דקות נוספות, לחזור על ההוראה בשלב 3.5 ולהתחיל הבלוק הרביעי של ניסויים (antisaccades). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר השלמת לחסום הרביעי, להשאיר פער 1 דקות נוספות, ולהסביר כי עבור בלוק של בדיקות הסופי לשאול את המשתתפים להזיז את העיניים במהירות ובדיוק כפי ניתן להתחקות אחר נקודה אדומה קופץ מהמרכז לצד זה או אחרים, בדיוק כפי שעשו בגוש הראשון. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אפס את saccadometer כדי ליצור רצף של 60 ניסויים, ולהתחיל את סופי לחסום של ניסויים (prosaccades). </li></ol><img alt="איור 2" src="/files/ftp_upload/53640/53640fig2.jpg" /> משימות איור 2. תנועות עיניים. Illustrati סכמטיעל מראה שתי דוגמאות של משימות saccadic. הנקודה בצבע הכחול המלאה מייצגת את היעד ואת העיגול הכחול המקווקו מייצג את האזור של קיבעון. שמאלי מציגה משימת prosaccadic שבו הנושא מתבקש להסתכל לעבר המטרה. RIGHT מראה antisaccade שבו הנושא הוא בקש לנתק את מבטו מן הגירוי החזותי . זה דורש עיכוב תגובת prosaccade הטבעית יותר הדור של saccade בכיוון ההפוך. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53640/53640fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> 4. הגדרות גירוי מוחי עמוק הערה: משתתפים עם לגירוי מוחי עמוק לנהל את הבדיקות עד כה עם מפעיל מערכת ממריץ כרגיל, כלומר, בסיס נתונים &quot;על גירוי &#39;התקבל. בדיקה כעת יש צורך לחזור עם מערכת הממריץ כבויה (למשתתפי ביקורת בריאים ללא מערכות DBS סעיף זה לא יחול). <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> החלף את מערכת DBS כבוי. עושים זאת על ידי צוות רפואי מיומן. אפשר 30 דקות לפני הבדיקה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חזור על בדיקות saccadic (שלבים 3.2 - 3.9) להשיג במערך שלם &#39;את הגירוי &quot;. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> החלף את מערכת DBS בחזרה על (שוב זה צריך להיעשות על ידי צוות קליני מאומן כראוי). </li></ol> ניתוח 5. נתונים הערה: משתתפים עם לגירוי מוחי עמוק לנהל את הבדיקות עד כה עם מפעיל מערכת ממריץ כרגיל, כלומר, בסיס נתונים &quot;על גירוי &#39;התקבל. בדיקה כעת יש צורך לחזור עם מערכת הממריץ כבויה (למשתתפי ביקורת בריאים ללא מערכות DBS סעיף זה לא יחול). <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הורד את הנתונים הגולמיים מן saccadometer למחשב לניתוח. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש בתוכנה של saccadometer להוציא הקפיצות האלה distorטד ידי מהבהבת ותנועות הראש, וכדי לחשב משתנים ובהם latencies saccadic, מהירויות שיא, ואמפליטודות. הערה: הרשומות מזוהמות תנועות ראש מוגזמות או מהבהבת יוסרו באופן אוטומטי על ידי התוכנה. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר הקפיצות האלה עם חביון פחות מ -80 מילי-שניות או יותר מ -1,000 msec. הערה: חביון Saccadic מחושב באופן אוטומטי באמצעות אלגוריתם saccade איתור המבוסס על מהירות ותאוצה. תחילתה של saccade מזוהה כנקודה כאשר מהירות העין עוברת סף של 5 מעלות / sec. </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.

הגורם הקריטי ביותר בהשגת נתוני saccadic באיכות טובה הוא להבטיח כי ההוראות שניתנו המשתתף ברורות ומדויקות. לדוגמא, אם את ההוראות למשימת antisaccadic אינן ברורות לחלוטין, המשתתף צפוי לבצע prosaccades במקום. הקלטות יכולות להיות מפונקות גם אם המשתתף לא יכול לראות את הגירויים בבירור או saccadometer לא יכול לאמוד עמדת עין במדויק. לכן, אם הנתונים מופיעים להיות באיכות נמוכה הנסיין צריך לבדוק כי אור הסביבה הוא לא בהיר מדי וכי saccadometer יושב כמו שצריך על גשר האף. גירוי מוחי עמוק מאפשר שינוי הישיר של פעילות עצבית בכל במקומות שונים בגרעיני הבסיס. יחד עם ציוד שיכול מדויק ואובייקטיבי לכמת תנועות עיניים, DBS יכול לשמש כדי לחקור את תפקוד נורמלי נורמלי של אזורי מוח אלה. ניסוייםבאמצעות saccadometry בשיתוף עם DBS חייב לעתים קרובות להתמודד עם יותר מאחד בו זמנית ידוע. המוחות נחקרות נגועות במחלה במידה משתנה, ואנחנו לא יודעים בודאות את המנגנון שבאמצעותו DBS הוא השיג השפעותיו, עם השערות כולל הפעלה של נוירונים באזור הממוקד, depolarizing מצור של נוירונים, גירוי של מביא ו / או אקסונים efferent, ו אפקטים מורכבים יותר על פעילות הרשת. נושאים עם התנאים ניווניות הם לעתים קרובות על תרופות וזה יהיה כמעט אוניברסלי עבור חולים עם חולי פרקינסון שיש להם מערכות DBS. הקפיצות האלה מושפעים תרופות antiparkinsonian, ועל מנת לבצע הערכה תקפה של ההשפעות של DBS על פרמטרי saccadic, מדינת תרופות חייבת להיות דומה כאשר בודקים עם DBS לסירוגין DBS. זה אומר שאו שיש את הנושא הנחה על כל התרופה למשך בדיקות (כולל תקופת נסיגה לפני כן), או אחר ביצוע על-DBS ו oבדיקות ff-אס בתוך תקופת זמן סבירה זמן קצר. הוכח כי מלא מתפוגג מהתופעות של DBS על הקפיצות האלה לוקחים כמה שעות אבל שרוב השינוי מתרחש בתוך 30 דקות 10. קורס הזמן עולה מספר מנגנונים עם קורסי זמן שונים, החל מהר מאוד (תופעות חשמל) כדי הרבה ממושך יותר (למשל, סינתזת חלבון). 30 דק &#39;הציע בפרוטוקול ולכן יהיה ללכוד את רוב השינוי המושרה DBS, והוא הרבה יותר קצר יותר מאשר מנה אחת לשניה טיפוסי של כמה שעות. זה לא נותן מספיק זמן עבור המנגנונים האיטיים ליישב מצב יציב, retesting במרווחים כבר עשוי להיות שימושי במתן תובנה המנגנונים אלה. עם פערים עוד אחד לא יכול להניח כי רמות התרופה תוך בדיקת לסירוגין DBS היו כ דומה, ובכך מרווחי זמן צפויים להיות קל לפרש כאשר בודקים את טיפול תרופתי. רוב הספרות על EFfects של DBS על תנועות עיניים התמקד גירוי בתדירות גבוה של גרעין subthalamic במחלת פרקינסון. חביון Prosaccadic הוא ממושך במחלת פרקינסון והיא מעוגנת היטב כי STN DBS יכול להפחית אותה באופן משמעותי לערכים נורמליים (בדיוק איך נשאר פתוח לדיון). עם זאת, כאשר saccadometry מתבצע בתקופה שלאחר הניתוח מוקדם, בתוך שעות עד ימים של החדרת עופרת לפני גירוי חשמלי מופעל, נמצא כי latencies הם דווקא עלה 11. החדרת אלקטרודה גורמת לבצקת וזה יוביל אבלציה תפקודית זמנית של המוח הסמוך האלקטרודה; זה מתיישב בתוך כמה שבועות ופרמטרים saccadic לחזור הבסיס (לגירוי הם בדרך כלל לא מופעלת עד מספר שבועות לאחר הניתוח, כדי לאפשר זמן זה להתיישב). הניגודיות של ההשפעות של החדרת אלקטרודה וגירוי היא עניין רב, כי זה ממחיש כי אחת התיאוריות מתקדמות בעבר להסביר כיצדDBS פועלת, על ידי מצור של מבנה תמריצים האחר (כלומר, אבלציה תפקודית), לא יכול להסביר את מנגנון הפעולה שלו באופן מקיף. מחקרים אחרים מצאו השפעות דומות 12-14. זה אפשרי לבנות ניסויים המשלבים DBS ו saccadometry לחקור פיזיולוגיה נורמלית. בזהירות רבה חייבת להילקח עם תכנון ניסוי ואת הפרשנות של תוצאות, כי הנושא הניסיון בהכרח יש כמה מצב נוירולוגים. גישה אחת היא להשוות את התוצאות של בדיקות saccadic עם DBS לסירוגין לתוצאות ממשתתפי ביקורת בריאות ללא DBS. אם התוצאות במקצועות DBS עם לגירוי שלהם כבוי דומות לאלו בקבוצת הביקורת, אז זה סביר להמשיך על בסיס שמשנה בתנועות עין לא ראתה בתגובה DBS עשויות להיות דומות לאלו אשר יהיה לראות אם הניסוי יכול להיעשות משתתפים ללא מחלה. לדוגמה, את הביצועים ב מקצועןמשימה saccade אשר הוגדר כך הגירוי החזותי הוא סיכוי גבוה יותר להופיע בצד אחד ממשנהו, דומה למשתתפים בריאים בחולי פרקינסון עם מערכות STN DBS במקום אך כבוי. השהיות לקצר עבור הקפיצות האלה בכיוון שבו היעד הוא צפוי להופיע, ולהאריך בכיוון פחות סביר. כאשר המערכות מופעלות, התארכות חביון בכיוון פחות נעלמת, והפרשנות הייתה כי STN מבצעת פונקצית נורמליזצית הסתברות 15. המטופלים במחקר זה היה PD, אבל זה לא היה רלוונטי ישירות לתוצאות. כמובן זוהי הנחה משמעותית ויתכן כי מחל מודולציה בתגובה DBS למרות שזה לא השפיע על ביצועי הבסיס. יתר על כן, הדמיון של off-אס ונתוני שליטה עשוי להיות התוצאה של מנגנוני פיצוי ולא חוסר ההשפעה של הפתולוגיה על הפרמטרים נמדדים. תוצאות חייבות להיות interpreted עם זה בחשבון. לאחר הטכניקות הבסיסיות שתוארו בפרוטוקול כבר שולטות בגישה יכולה להתארך עד פרדיגמות מורכבים יותר. רבי משימות saccadic שונות פותחו מתוכם משימת ההסתברות המבוססת כפי שתוארה בפסק הקודמת היא רק אחד. דוגמאות נוספות כוללות קפיצות האלה מודרכים זיכרון 16 (מביטות לעבר מיקום הזכר של גירוי כי הוא כבר לא שם) או משימות saccadic מבוסס גמול שנועדו להפעיל פונקציה הלימבית 17. הנה שתארנו אחת משימות saccadic הפשוטות, משימת צעד אופקית מודרך חזותי 10 מעלות. שינויים רבים מן המשימה אפשריים כגון החדרת פער זמנים בין היעלמות קיבעון נקודה ומראה היעד היקפי 18-20 או חפיפה 21 איפה נקודת קיבעון יעד לרוחב נוכחים בו זמנית. פרדיגמות מסוג זה שימשו כדי להבין sייזום accadic וקושרת עצבית נצפו בשדות עין חזיתית 20,22 ו colliculus מעולה 23. דיון מפורט של השימושים השונים של פרדיגמות saccadic השונה הוא מעבר להיקף של מאמר זה; לסקירה ראה 1. יש Saccadometry יישום רחב מחוץ השימוש בו DBS. מסלולים Saccadic לערב חלקים מרובים של הגרעינים הבזליים ושינויים saccadic הם סמן ביולוגי אפשרי עבור כל מצב זה נזקים או מדאיג את הפונקציה של מבנים אלה. Saccadometry יש למשל נחקרו לשימוש בתנאי ניווניות כולל פ&quot;ד, מחלת הנטינגטון, דמנציה פרונטו-טמפורלית, טרשת לרוחב amyotrophic וכן פגיעת ראש וב הפרעות מטבוליות כולל אנצפלופתיה כבדית. לסיכום, saccadometry הוא כלי כמוני שימושי בפני עצמו, אך שילוב עם גירוי מוחי עמוק פותח מגוון של experimenטל גישות שעשויים לשפוך אור חדש על תפקוד המוח הן בבריאות ובחולי.

בשנים האחרונות חל עניין גובר השימוש מדיד של זמני תגובה כדרך כמוני ולא פולשנית של צובר מידע על מנגנוני רמה הגבוהה של החלטה עצבית ביצוע 1. סוג אחד של זמן תגובה כי נחקר בהרחבה הוא הזמן שנדרש כדי ליזום saccade על הצגת גירוי חזותי, המכונה חביון saccadic. הקפיצות האלה הם תנועות עיניים מהירות המתרחשות כאשר אנו במהירות משמרת מבטנו ממקום אחד למשנהו. הם הסוג הנפוץ ביותר של תנועות עיניים שאנו עושים, המתרחשים בתדירות של טיפוסי שתיים או שלוש לשנייה. Saccade כל הוא למעשה החלטה להסתכל מוט אחד בעולם הוויזואלי במקום 2 אחר. המסלולים העצביים שליטת תנועות עיניים נחקרו רבים והם די טובים מתועדים 3. באמצעות ציוד אלקטרוני רגיש, היבטים של תפקוד oculomotor יכול להיות מדויק objectively לכמת. זה מקל על המחקר המפורט של תנועות עיניים עצמם אלא גם מאפשר להם לשמש ככלי לחקור תחומים אחרים של לנוירופיזיולוגיה והפתופיזיולוגיה. מדידת תנועות עיניים יכולה לספק מידע שימושי על מצב מחלה. תנועות עיניים Saccadic לא מזמן, למשל, זכה לתשומת לב רבה כמו סמנים ביולוגיים פוטנציאליים בהפרעות ניווניות כולל מחלות 4,5 ופרקינסון הנטינגטון 6,7, וזה כבר הוכח כי זמני התגובה saccadic נוטים להיות איטי מהרגיל בתנאים אלה. שימושים אפשריים של מדידת saccadic כוללים עזרים לאבחון ומעקב מחלה. משימות Saccadic נעות בין prosaccade הפשוטה (מחפשת כמה שיותר מהר לכיוון גירוי חזותי המופיע פתאום שמאלה או ימינה) משימות מורכבות יותר כגון antisaccade (מחפש כמה שיותר מהר אל הצד הנגדי לגירוי חזותי) או זכרוני saccade מודרך (מחפשלעבר מקום הזכר של מטרה כי הוא כבר לא שם). גירוי מוחי עמוק הוא טיפול יעיל תנאי נוירולוגיות שונים. זה הוא הנפוץ ביותר לטיפול בסימפטומים המנוע של מחלת פרקינסון כולל רעד, נוקשות, bradykinesia, ו dyskinesia. כמו כן הוא משמש לטיפול בהפרעות תנועה אחרות כולל דיסטוניה ורעד חיוני, ופחות נפוץ עבור כאב נוירופתי, אפילפסיה, הפרעות פסיכיאטריות כגון הפרעת אובססיבית כפייתית. זה המסגרת היחידה שבה יש מדעני גישה חשמלית ישירה מבנים עמוקים של המוח האנושי in vivo ובכך מציע הזדמנות נדירה עבור לנוירולוגיה ניסויית. מגוון של מטרות הם גירוי תלוי לבעיה מטופלת, כולל בכמה מקומות בגרעיני הבסיס, שרבים מהם מעורבים מסלולי oculomotor. משמעות הדבר היא כי מגוון של מחקרים רחב ניתן לבצע באמצעות מערכת DBS לספק גירוילמיקום מוח נתון מכשיר מעקב עיניים להקליט ולנתח את השפעותיו. בהתאם פרדיגמה ניסויית, מחקרים כאלה עשויים להניב מידע על הפיזיולוגיה של האזור מגורה, את ההשפעות של המחלה, או את המנגנון שבאמצעותו DBS פועלת באותה הגדרה מסוימת. מאמר זה מתאר גישה כללית בדיקות תנועות עיניים saccadic בחולים גירוי עמוק המוח. סוגים שונים של ציוד מעקב עיניים זמינים. עבור המחקר המתואר בפרוטוקול זה saccadometer נייד שמש להקליט תנועות עיני saccadic אופקיות. Saccadometers הנייד יש את היתרון של לא המחייב משענת הראש (ראה איור 1), כלומר הפעלות הן נוחות יותר עבור חולים עם מחלת פרקינסון, במיוחד עבור אלה הסובלים עם Tardive החמור. Saccadometer משמש כאן הוא קל משקל כ רחב 5 ס&quot;מ ו -10 ס&quot;מ. Saccadometer צפחותתנועות עיני מיל ידי השימוש oculography אינפרא האדום הישיר: מקור אינפרא אדום חיישן מתמקם מול אור שימוש canthus המדיאלי מוחזר מן הקרנית כדי לקבוע את מיקום הסיבוב של גלגל העין במרווחי זמן האלפית שני. על מנת להשיג נתונים באיכות טובה עבור ניתוח saccadometer צריך לדגום בקצב של kHz 1 לפחות עם לפחות רזולוציה של 12 ביט. בשנתי ה saccadometer משמש כאן הגירויים החזותיים היו שלוש אדום 13 cd מ -2 נקודות של אור המיוצר על ידי מובנה לייזרים צריכים חשמל נמוכים, כל נקודה subtending כ 0.1 מעלות, עם נקודה אחת קו האמצע ואת השניים האחרים ב ± 10 מעלות (כלומר , ימינה ושמאל). <img alt="איור 1" src="/files/ftp_upload/53640/53640fig1.jpg" /> איור 1. Saccadometer. ראש רכוב saccadometer מצורף גומייה ומונח על גשר האף. ארבעה לייזרים מיניאטורי להקרין יעד חזותיים על משטח מט, ואת תנועות העיניים של המשתתף נמדד על ידי התמר החזרה אינפרא אדום הפרש בצד האף של כל עין. כמו מטרות לייזר לנוע עם הראש, משענות הראש אינם נדרשים. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53640/53640fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</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.

איור 3 מציג דוגמה של מסלולי תנועות עיניים saccadic, מחולה מחלת פרקינסון עם מערכת subthalamic גרעין DBS המושתל. שני גרפי עלילת prosaccades של החולה עם מערכת הממריץ כבויה (גרף עליון) ודליקה (גרף תחתון). כל זכר על הגרפים מראה את מסלולו של saccade יחיד, כלומר, איך את עמדת העין במעלות הרחק (ציר y) קו האמצע משתנה כפונקציה של הזמן (ציר x). שתי קפיצות האלה שמאלה וימינה מוצגות בגרף כמו סטיות לערכי תואר חיוביים. זמן אפס הוא הרגע כי היעד המרכזי נעלם ומופיע אזור הפריפריה מופיע. מרווח הזמן בין זה לבין ההופעה של saccade (הרגע שבו העקבות מסיטות מאפס מעלות) נקרא חביון saccadic, ואת התצפית העיקרית היא כי חלוקת הקפיצות האלה משתנית כאשר הממריץ מופעל, עם reduction במספר הקפיצות האלה חביון ארוכה וירידה מקבילה חביון ממוצע. <img alt="איור 3" src="/files/ftp_upload/53640/53640fig3.jpg" /> איור 3. Prosaccadic מסלול תוצאות. זה מראה את תוצאות חביון תנועות עיני saccadic מחולת פרקינסון לאחר שעבר Deep Brain Stimulation של גרעין subthalamic. עליון תוכל לראות את הפרופיל חביון של המטופל כאשר הממריץ כבוי תחתונים מציג את הפרופיל חביון של באותו חולה כאשר הממריץ מופעל. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53640/53640fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</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.

שימוש Saccadometry עם דיפ גירוי המוח לחקר תפקוד מוח נורמלי ופתולוגיים

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 Views.  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.

Video: 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.

תוך Operative משימות ההתנהגות בבני אדם ער שעברו ניתוח עמוק גירוי המוח

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

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.

פולשנית קורטיקליים ולא פולשנית משולבת Surface הנוירופיזיולוגיים הקלטות עבור הערכת קוגניטיבי ותפקידים רגשיים בבני אדם

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

Behavior

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.

גישה חדשנית להעריך תוצאה מנוע של אפקטים גירוי מוחי עמוק בתוך עכברוש Hemiparkinsonian: המדרגות צילינדר מבחן

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 ...

High-resolution Functional Magnetic Resonance Imaging Methods for Human Midbrain

Functional MRI (fMRI) is a widely used tool for non-invasively measuring correlates of human brain activity. However, its use has mostly been focused upon measuring activity on the surface of cerebral cortex rather than in subcortical regions such as midbrain and brainstem. Subcortical fMRI must overcome two challenges: spatial resolution and physiological noise. Here we describe an optimized set of techniques developed to perform high-resolution fMRI in human SC, a structure on the dorsal surface of the midbrain; the methods can also be used to image other brainstem and subcortical structures.
High-resolution (1.2 mm voxels) fMRI of the SC requires a non-conventional approach. The desired spatial sampling is obtained using a multi-shot (interleaved) spiral acquisition1. Since, T2* of SC tissue is longer than in cortex, a correspondingly longer echo time (TE ~ 40 msec) is used to maximize functional contrast. To cover the full extent of the SC, 8-10 slices are obtained. For each session a structural anatomy with the same slice prescription as the fMRI is also obtained, which is used to align the functional data to a high-resolution reference volume.
In a separate session, for each subject, we create a high-resolution (0.7 mm sampling) reference volume using a T1-weighted sequence that gives good tissue contrast. In the reference volume, the midbrain region is segmented using the ITK-SNAP software application2. This segmentation is used to create a 3D surface representation of the midbrain that is both smooth and accurate3. The surface vertices and normals are used to create a map of depth from the midbrain surface within the tissue4.
Functional data is transformed into the coordinate system of the segmented reference volume. Depth associations of the voxels enable the averaging of fMRI time series data within specified depth ranges to improve signal quality. Data is rendered on the 3D surface for visualization.
In our lab we use this technique for measuring topographic maps of visual stimulation and covert and overt visual attention within the SC1. As an example, we demonstrate the topographic representation of polar angle to visual stimulation in SC.

This article describes techniques to perform high-resolution functional magnetic resonance imaging with 1.2 mm sampling in human midbrain and subcortical structures using a 3T scanner. Use of these techniques to resolve topographic maps of visual stimulation in the human superior colliculus (SC) is given as an example.

ברזולוציה גבוהה תהודה מגנטית פונקציונלית שיטות המוח התיכון האדם

Functional MRI (fMRI) is a widely used tool for non-invasively measuring correlates of human brain activity. However, its use has mostly been focused upon ...

Neuroscience

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.

שליטה מחלת פרקינסון עם מסתגל עמוק גירוי המוח

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.

גירוי מוחי עמוק עם fMRI סימולטני במכרסמים

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

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.

ניתוח שינויי ביטוי הגנים בהיפוקמפוס העכברוש לאחר Deep Brain Stimulation של Anterior התלמוס הגרעין

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

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.

Microelectrode מודרך השרשה של אלקטרודות לתוך גרעין Subthalamic של חולדות לטווח ארוך עמוק גירוי המוח

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.

פילוח סיבים עצביים ספינלי לטיפול גירוי מוחי עמוק באמצעות דגמים אינטראקטיביים, מטופל ספציפי

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

Bioengineering

Acute In Vivo Electrophysiological Recordings of Local Field Potentials and Multi-unit Activity from the Hyperdirect Pathway in Anesthetized Rats

Converging evidence shows that many neuropsychiatric diseases should be understood as disorders of large-scale neuronal networks. To better understand the pathophysiological basis of these diseases, it is necessary to precisely characterize in which way the processing of information is disturbed between the different neuronal parts of the circuit. Using extracellular in vivo electrophysiological recordings, it is possible to accurately delineate neuronal activity within a neuronal network. The application of this method has several advantages over alternative techniques, e.g., functional magnetic resonance imaging and calcium imaging, as it allows a unique temporal and spatial resolution and does not rely on genetically engineered organisms. However, the use of extracellular in vivo recordings is limited since it is an invasive technique that cannot be universally applied. In this article, a simple and easy to use method is presented with which it is possible to simultaneously record extracellular potentials such as local field potentials and multiunit activity at multiple sites of a network. It is detailed how a precise targeting of subcortical nuclei can be achieved using a combination of stereotactic surgery and online analysis of multi-unit recordings. Thus, it is demonstrated, how a complete network such as the hyperdirect cortico-basal ganglia loop can be studied in anesthetized animals in vivo.

Acute In Vivo Electrophysiological Recordings of Local Field Potentials and Multi-unit Activity from the Hyperdirect Pathway in Anesthetized Rats

In this study, the methodology is presented on how to perform multi-site in vivo electrophysiological recordings from the hyperdirect pathway under urethane anesthesia.

חַד<em&gt; בויבו</em&gt; הקלטות אלקטרו של הפוטנציאל שדה מקומי פעילות מרובת יחידות מן מסלול Hyperdirect ב חולדות הרדמה

Converging evidence shows that many neuropsychiatric diseases should be understood as disorders of large-scale neuronal networks. To better understand the ...