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Sistema automatizado de registro de la actividad eléctrica de estructuras
profundas del sistema nervioso central
J. Teijeiro Amador; RJ. Macías González; Ch. Ohye*; J.L. Muñoz Aguiar; L.M. Alvarez González; L. Ochoa
Zaldívar; W. Soler Alayón y J.M. Antelo**.
Centroln\ernacional de Restauración Neurológica, La Habana, Cuba. *Universidad de Gunma, Gunma, Japón. ** Centro de Neurociencias, La Habana, Cuba.
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Resumen
Abstract
Este trabajo describe un sistema automatizado para el registro, procesamiento y análisis de la actividad
eléctrica de las estructuras profundas del Sistema Nervioso Central, que se ha desarrollado en el Centro Internacional de Restauración Neurológica de Cuba para ser utilizado en la neurocirugía funcional estereotáxica guiada por semi-microrregistros profundos del cerebro. El sistema NDRS (Neurorestorative Deep Recording System) permite la simulación de un osciloscopio
digital y distintos tipos de procesamientos de las señales como son: la discriminación, la integración y el
análisis espectral de Fourier. El gráfico del comportamiento de la actividad integrada a lo largo de la trayectoria seguida dentro del cerebro, puede ser superpuesto sobre la correspondiente vista sagital del Atlas
Cerebral de Schaltenbrand-Wahren lugo de un escalamiento apropiado de la misma. El sistema brinda además la posibilidad de procesamiento y edición de los
datos ya registrados y grabados en el disco de la computadora, así como su exportación en formatos «standard», lo que lo hace compatible con otros sistemas.
Posee una «interface» basada en ventanas de «Ayuda»
para el usuario, disponibles en todo momento. Este sistema de programas permite la utilización de una computadora personal 80486 IBM compatible en sustitución de equipos electrónicos complejos y costosos, facilitando además la manipulación de la información registrada y la implementación de una mayor variedad
de análisis. Hasta el presente el NDRS ha sido utilizado
con éxito, contribuyendo a aumentar la seguridad en
la correcta selección de los lugares de lesión o implante
en más de 110 intervenciones neuroquirúrgicas de
Vim-Talamotomías, Palidotomías y Neurotrasplantes,
para el control de los diferentes síntomas de la enfermedad de Parkinson y otros movimientos anormales.
This paper describes a computer system to record
and process the deep brain electrical activity, during
functional and stereotactic neurosurgery. The NDRS
program system (Neurorestorative Deep Recording
System), developed at the International Neurological
Restorative Center in Cuba, allows a digital osciloscope simulation with different graphic facilities in real time and some signal processing: spike amplitude discrimination, signal integration as a quiantification of its
general amplitude, and spectral Fourier analysis to
study the correlation between different simultaneous
signals. The behavior of the integrated activity can be
shown on the electrode trajectory into the brain. This
graphic can be superimposed on any selected sagittal
. plane of the Schaltenbrand and Wahren Atlas, after its
automatic scaling according to the brain dimensions of
each patient. The system also allows the possibility to
reprocess and edit the recorded data, saved in the
computer disk, as well as to export them in standard
format, making it compatible with other processing
systems. lt has an interface oriented to facilitate the
user's work, with help-windows available at every momento Using an 80386/80486 IBM compatible personal
computer this program system substitutes the signal
analogical processing equipments, which are expensive
and have specific purposes. Therefore, it has more flexibility for the recorded data manipulation and to inelude other kind of analysis. Up to this moment, the
NDRS has been successfully used, contributing to increase the safety in the correct selection of the therapeutic lesion or implantation sites in more than 110
neurosurgical procedures (Vim-Thalamotomies, Pallidotomies, Subthalamotomies and Nurotransplantations) to control different symptons of Parkinson's
disease and other movement disorders.
PALABRAS CLAVE: Neurocirugía funcional; Microrregistro profundo del cerebro. Proceso digital de señales.
Análisis espectral de Fourier.
KEY WüRDS: Functional Neurosurgery. Deep Brain Microrecording. Digital Signal Processing. Fourier Spectral
Analysis.
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Sistema automatizado de registro de la actividad eléctrica de estructuras profundas del sistema nervioso central
Introducción
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En los años 50, se comenzó a desarrollar la cirugía
funcional aparejada al desarrollo de la cirugía estereotáxica. En este campo se exploraron diversas áreas para ubicar
lesiones que mejoraran los síntomas de diversas patologías entre ellas algunas caracterizadas por alteraciones del
movimiento y sobre todo la enfermedad de Parkinson. Estos intentos tropezaron con resultados entre pobres y moderados, un elevado número de complicaciones y prácticamente dejaron de utilizarse por el surgimiento de la L-Dopa para el tratamiento de parkinsonianos que era el tipo de
paciente más frecuentemente tratado.
Los trabajos de Albe-Fessard de los años 60, que describían grupos de neuronas del tálamo que descargaban en
relación con el temblor periférico 33 , permitieron utilizar
estos conocimientos con fines clínicos a través del registro
de la actividad unitaria o multiunitaria de áreas talámicas
para localizar las neuronas descritas y ubicar las lesiones
que eliminarían estos síntomas.
El surgimiento de una nueva tecnología basada en el
desarrollo de los sistemas estereotáxicos y la disponibilidad de mejores sistemas de imágenes, unido al incremento
de los conocimientos de la fisiopatología de los ganglios
basales, permitió reabordar estos tratamientos con la característica adicional de poder refinar la ubicación de los
blancos nuroquirúrgicos con el estudio y caracterización
de las estructuras por su actividad eléctrica propia.
Dentro de la Neurocirugía Estereotáxica Funcional, la
Palidotornía y la Talamotomía son dos procedimientos en
los que se lesionan determinados grupos de neuronas dentro del Globo Pálido Medial (GPm) y el núcleo Ventral
Intermedio (Vim) del Tálamo en el cerebro del paciente,
con el objetivo de interrumpir la transmisión de los impulsos nerviosos responsables de diferentes síntomas de la
enfermedad de Parkinson (rigidez, hipocinesia y temblor)
u otros movimientos anormales'6,26,28.31,35,41,43. Al pasar por
estas estructuras circuitos de control fundamentales del
Sistema Nervioso Central (SNC)I,13,21, tQma una máxima
importancia la correcta selección de los lugares a lesio~
nar 31 ,41.
En las intervenciones quirúrgicas de neurotrasplantes
para contrarrestar la enfermedad de Parkinson, también
resulta conveniente seleccionar el mejor lugar de localización de los implantes, ya que la denervación estriatal característica de esta enfermedad no es homogénea y por
otra parte, la cantidad de tejido embrionario para el neuro"
trasplante es insuficiente para restaurar toda la pérdida
neuronal 12,25,37.
Por todo ello, es necesario determinar de la forma más
exacta posible, la localización dentro del cerebro de cada
paciente, de diferentes estructuras, subnúcleos y grupos
neuronales específicos, que juegan un papel en estas alte172
Neurocirugía
raciones y que no son distinguibles, o al menos no de una
forma precisa, con los medios de imagen actuales ' 1,19,20,31,41.
Este hecho ha impuesto la necesidad de utilizar una guía
neurofisiológica: los micro -o semimicro- registros de la
actividad eléctrica de estas estructuras profundas del cerebro. La experiencia internacional demuestra que sólo con
esta guía se obtiene una mayor seguridad en la selección
de los sitios a lesionar dentro del cerebro de los pacientes
para lograr un resultado exitoso con un mínimo de efectos
colaterales 8,27,31.41.
Para registrar, procesar y analizar este tipo de señales
es necesario no sólo un sistema de adquisición y acondicionamiento de las mismas, sino también de visualización
y grabación múltiple, de discriminación, de integración,
etc. 31 . Con el desarrollo actual de las máquinas computadoras, han aumentado considerablemente las posibilidades
del procesamiento digital de señales7,14. En el presente artículo se presenta un sistema de programas para computadoras personales diseñado para el registro, visualización,
grabación y procesamiento digital de las señales eléctricas
de las estructuras profundas del cerebro como guía para la
neurocirugía estereotáxica funcional.
Material y método
Durante la neurocirugía funcional con ayuda de un sistema estereotáxico se introduce en el cerebro del paciente
un semi-microelectrodo (0,4 mm de diámetro exterior y
distancia interpolar, e impedancia menor que 100 kQ). Este y el electrodo de superficie para electromiografía
(EMG), son conectados a un juego de preamplificadores,
bioamplificadores y filtros de un equipo Neuronica (Neuronic S.A., Cuba)22. Las señales de la salida de los amplificadores son entregadas a la tarjeta conversora análogo-digital (ADC) de 12 bits del mismo equipo Neuronica o a
una tarjeta ADC PCLab816 (Advantech Co. Ltd. Taiwan),
con un tiempo de conversión de 8,5 fJs (microsegundos)
por canal. Las señales ya digitalizadas son entonces recogidas por el sistema de programas NDRS (Neurorestorative Deep Recording System) en una microcomputadora
personal 486IDX2 IBM a 66 MHz con una tarjeta gráfica
SuperVGA.
.
Este sistema de programas está compuesto de diferentes módulos o subprogramas implementados sobre la plataforma MS-DOS en modo real, con la posibilidad de explotar los diferentes recursos de la computadora con un
control casi absoluto de su microprocesador. La «interface» con el usuario de la versión actual del sistema NDRS
está basada, en general, en sistemas de menú de opciones
y en teclas de funciones, con el objetivo de dinamizar al
máximo la operación con el mismo por parte del personal
especializado y de brindar la mayor área de trabajo para la
visualización de las señales y gráficos. No obstante, para
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los usuarios menos entrenados en su uso, también dispone
de un sistema de «Ayudas» dependientes del contexto,
que informan las posibilidades del sistema en cada momento. Entre las opciones principales de este sistema de
programas se encuentran: la visualización, procesamiento
y grabación de las señales registradas, el reprocesamiento
de señales ya grabadas en el disco de la computadora, la
edición simultánea de varias de estas señales, y la presentación de ediciones y gráficos confeccionados y grabados
previamente.
En la pantalla de la computadora se muestran en tiempo real, es decir instantáneamente, las señales que están
siendo registradas en cada momento por los electrodos,
siempre que la lectura de los valores digitalizados por la
tarjeta ADC, se realice con una velocidad de hasta 10000
valores por segundo (lOO Ils como intervalo de digitalización mínimo). Para intervalos de digitalización menores,
hasta 50 Ils (20000 valores/s como máximo), las señales
son mostradas en bloques de 8000 valores cada 0,8 segundos como máximo retardo entre el momento de registro y
el de visualización. Por lo que, en las señales digitalizadas, podrían estar presentes componentes de frecuencia de
hasta 10 kHz. En cualquiera de los casos se pueden registrar uno o dos canales simultáneos. Al mostrar en la pantalla de la computadora los valores digitalizados se realiza
una interpolación lineal entre ellos para facilitar la observación del comportamiento de la señal según las escalas
de tiempo y amplitud seleccionadas.
Los registros cerebrales profundos con semi-microelectrodos permiten censar actividad eléctrica cerebral multiunitaria; es decir, las señales de voltaje que son obtenidas son producto de la superposición de las descargas
eléctricas de todo un grupo de neuronas alrededor de la
punta del electrod0 3!. En general, este tipo de señales tienen un gran carácter estocástico, y libres de todo artefacto
que podrían provocar interferencias externas, o de alteraciones evocadas por diferentes estimulaciones sobre el paciente, poseen un comportamiento bastante estacionario y
ergódico', por lo que su estudio puede ser realizado analizando sólo una muestra3!.4!. Por esta razón el sistema permite retener en la memoria de la computadora los últimos
8.000 valores sucesivos de cada señal registrada. Estas
muestras de las señales pueden someterse a un proceso de
inspección más detallada, procesamiento y finalmente grabación en la misma computadora.
Las muestras tomadas de cada señal pueden ser observadas repetidas veces de forma continua, o detenidamente,
por fragmentos de amplitud variable. Se pueden habilitar
dos jugos de cursores, en amplitud y tiempo, para facilitar
el análisis de las señales mostradas. Para la identificación
de grupos específicos de espigas dentro de ellas, se puede
seleccionar un valor de amplitud umbral para discriminar
automáticamente los momentos en que la señal lo sobre-
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pasa. De forma automática son calculados, además, los
valores de la integral de cada fragmento de señal mostrado
en la pantalla. El valor de este parámetro, normalizado
con el tiempo de digitalización empleado en cada caso, es
proporcional a la amplitud general de cada señal, permitiendo valorar la magnitud de la llamada actividad de fondo presente en los semi-microrregistros 3 1.39, y facilitando la
comparación cuantitativa entre diferentes señales.
Luego de inspeccionar cada señal y seleccionar las
muestras que resultan de interés, se pueden grabar en el
disco de la computadora para poder volver a reanalizarlas
en cualquier momento trans -o post- quirúrgico. Junto a
cada una de ellas se archivan, además, diferentes datos generales del paciente, de las condiciones del registro y
cualquier observación relacionada con cada señal en particular, quedando así documentada esta importante etapa
del procedimiento quirúrgico, tanto como constancia de la
misma, como para investigaciones futuras.
El comportamiento de la integral de la actividad eléctrica registrada en distintos puntos del cerebro y/o en diferentes momentos, puede ser mostrado en un gráfico a medida que las señales van siendo grabadas en la computadora. Este gráfico puede ser en función del tiempo, facilitando la comparación de la actividad registrada pre-, trans- y
post-estímulo (u otro evento de interés), o sobre una representación gráfica de la trayectoria que va recorriendo
el electrodo dentro del cerebro del paciente, según las respectivas coordenadas y ángulos estereotáxicos.
Como una referencia adicional se puede superponer
sobre este último gráfico la correspondiente vista sagital
del Atlas Cerebral de Schaltenbrand-Wahren40 , luego de
un escalamiento automático del mismo, de acuerdo a la
distancia intercomisural del cerebro de cada paciente. Se
pueden mostrar ampliaciones de este gráfico en la región
más próxima al «blanco» quirúrgico precalculado; superponer, para su comparación, la actividad integrada de diferentes trayectorias exploradas en un mismo paciente; o
habilitar un cursor sobre cada una de las trayectorias para
mostrar en detalle los valores en cada punto de registro,
así como las observaciones que ya se han anotado o que se
quieran editar, relacionadas con ese punto, como puede
ser por ejemplo la somatotopia encontrada. Este gráfico
puede ser también copiado directamente por la impresora,
o exportado en un fichero de formato PCX (formato gráfico standard) hacia el disco de la computadora.
Otro tipo de procesamiento de las señales que permite
el sistema NDRS, es su transformación al dominio frecuencial mediante el análisis de Fourier2.15·J9.4!. La función
de densidad autoespectral de potencia de las señales puede
brindar una evaluación cuantitativa sobre la correlación
que se puede encontrar entre las descargas de ciertos grupos de neuronas y el EMG de los músculos del hemicuerpo contralateral con movimientos con un gran carácter re173
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petitivo, como es el caso del temblor de la enfermedad de
Parkinson29 .JI,J4,39,41,
La edición de señales ya grabadas en la,C9ffiputadora,
permite mostrar en una misma pantalla hasta cuatro seña:::'"
les distintas, para propiciar la comparación entre ellas; pudiéndose realizar una copia por la impresora, o en el disco
(en formato PCX), para poder exportarla hacia otros editores gráficos convencionales. Como otra forma de garantizar esta compatibilidad con otros sistemas, los valores registrados también pueden ser exportados directamente en
formato Ascn.
El trabajo de manipulación en el disco de la computadora de la información registrada se encuentra en gran
medida automatizado, así como la impresión de un informe o resumen, con los principales resultados de la exploración de cada trayectoria, en el mismo transcurso del acto
quirúrgico, para facilitar la toma de decisiones finales por
parte del equipo médico.
Resultados
La versión 4.4 del sistema de programas NDRS está
constituida por 63 módulos escritos en el lenguaje Borland Pascal 7.0 y 39 en Turbo Ensamblador 3.2, ocupando
los programas ejecutables (8 en total) una memoria de 681
153 bytes, El sistema, luego de su puesta a punto y comprobación, se encuentra ya en explotación en el Centro Internacional de Restauración Neurológica de Cuba, desde
hace dos años, con resultados satisfactorios23 ,24.J8.
Hasta el momento se han desarrollado un total de 113
intervenciones de neurocirugía estereotáxica funcional (55
Vim-Talamotomías, 44 Palidotomías Selectivas, 12 Neurotrasplantes y 2 Subtalamotornías), utilizando el sistema
NDRS para el registro y procesamiento de la actividad
eléctrica multiunitaria de las estructuras profundas del cerebro, Se han explorado un total de 429 trayectorias dentro del cerebro de estos pacientes, tomándose más de
10779 muestras de las señales registradas, de ellas más de
411 corresponden al Núcleo Estriado (Pl,ltamen y Caudado), más de 393 al Núcleo Vim del Tálamo, más de 139 a
otros núcleos del Tálamo, más de 90 a Subtálamo, más de
184 al Globo Pálido Lateral, más de 678 al Globo Pálido
Medial, más de 434 al Tracto Optico y más de 106 a la
Sustancia Negra Reticulata.
Discusión de resultados
El procesamiento digital implica que las señales analógicas, continuas en el tiempo y en amplitud, son cuantificadas y digitalizadas por una tarjeta ADC con un intervalo
de muestreo (o tiempo de digitalización) mayor o igual al
tiempo de conversión del ADC y un paso de cuantificación que depende de la precisión del ADC (empleando el
174
Fig. 1.- Edición con las señales registradas en diferentes
puntos del cerebro sobre una trayectoria explorada durante
un procedimiento de Vim·Talamotomía,
método uniforme de cuantificación que permite una mayor velocidad 7), De esta forma a la computadora son entregados valores discretos y equidistantes en el tiempo (al
utilizar el método frecuencial de digitalización, que es el
que también garantiza una mayor rapidez 7). Este hecho,
según el Teorema de Muestre0 7,14, reduce ya el valor máximo de las componentes de frecuencia de la señal digitalizada al inverso de dos veces el intervalo de muestreo. De
ahí la necesidad de trabajar con la mayor frecuencia de
muestreo (con el menor intervalo de digitalización) posible. En nuestro caso hemos seleccionado como intervalo
de digitalización 250 /ls, con el que además se obtienen
muestras digitales de las señales (8.000 valores) de 2 segundos de duración cada una.
El hecho de que el proceso de cuantificación uniforme
de las señales se realice con una precisión de 12 bits nos
permite diferenciar hasta 4.096 valores de amplitud distintos, lo que quiere decir que utilizando, por ejemplo, una
amplificación de las señales de 10.000 y conociendo que
la salida de los amplificadores está en el rango de ±5 V,
podemos afirmar que hasta 0,2 /lV es significativo en los
sistema automatizado de registro de la actividad eléctrica de estructuras profundas del sistema nervioso central
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CORtICAL GRAY MATlER
Fig. 2.- Gráfico de la Actividad Eléctrica Integrada sobre la representación de la trayectoria explorada dentro del
cerebro en un procedimiento de Vim-Talamotomía.
valores digitalizados. Lo cual es una precisión aceptable
para el rango de amplitud de las señales a registrar.
Por su parte, en la medición del tiempo (en el control
del intervalo de muestreo) se puede alcanzar una precisión
de 0,8 [lS, ya que la frecuencia de la señal de entrada del
reloj (del chip temporizador) de la computadora es
1,19318 MHz.
En general, el estudio de la actividad eléctrica de las
células y fibras constituyentes del cerebro con el sistema
NDRS permite realizar una caracterización de las estructuras profundas, lo cual es la base para un refinamiento fisiológico de los «blancos» neuroquirúrgicos.
Con un instrumento capaz de registrar los potenciales
en las neuronas, como es el caso del semimicroelectrodo
utilizado (0,4 mm de distancia interpolar), que permite estudiar la superposición de la actividad simultánea de varias neuronas, es posible al desplazarse hacia la profundidad del cerebro delimitar cuándo el extremo del electrodo
está en un área gris (abundantes somas neurales y árboles
dendríticos) y cuándo en las área~ blancas (abundantes
axones). La magnitud de los cambios de voltaje que se detectan en un área en que abundan los cuerpos neuronales
será superior a la magnitud de los cambios observados en
las zonas escasas en cuerpos neuronales donde predominan los axones de células de Golgi tipo 1. Por ejemplo en
la Figura 1, que muestra una «Edición» en una misma
pantalla de señales registradas en diferentes puntos del cerebro, con los valores normalizados de la Actividad Eléctrica Integrada de cada registro mostrados sobre cada señal en el extremo izquierdo, o en la Figura 2, con el comportamiento de estos valores integrados representados gráficamente sobre la trayectoria seguida por el electrodo
dentro del cerebro, se puede apreciar como fue cambiando
tanto morfológicamente como e;n amplitud, la actividad
Neurocirugía
multiunitaria registrada a medida que se penetró con el
semimicroelectrodo a lo largo de la trayectoria planificada
(disminuyendo la distancia al «blanco»), dentro del cerebro de un paciente con la enfermedad de Parkinson sometido a una Vim-Talamotomía. Primeramente se registró
una gran actividad neuronal propia de la corteza cerebral.
Al atravesar la sustancia blanca entre la corteza y los ganglios basales la actividad eléctrica decayó enormemente.
La actividad se incrementa al pasar la punta del electrodo
a través del núcleo caudado pero vuelve a decaer al atravesar la franja de sustancia blanca que se encuentra entre
éste y el tálamo. Una vez que la punta del electrodo está
dentro del tálamo, la actividad eléctrica nuevamente se incrementa y adopta morfologías diferentes en dependencia
del núcleo específico por el que se esté pasando, o dentro
de estos, según los grupos neuronales más próximos a la
punta del electrodo en cada momento. Y es que en las áreas de sustancia gris también la amplitud de los cambios de
voltaje, su frecuencia y el número de unidades que descargan en una unidad de tiempo dependen de diversos factores como son los tipos celulares que componen cada una
de las estructuras, la magnitud del soma y la disposición
del árbol dendrítico. En el núcleo Vim y Ventrocaudal
(VC) del tálamo abundan las neuronas cuyos somas tienen
un área de 600 a 700 [lm2 32, en el núcleo caudado y el putamen 196% de sus células son medianas de 20 [lm de diámetro y sólo un escaso 1% son neuronas de gran tamañ0 6 •
El globo pálido (GP) por su parte está constituido de neuronas grandes de cuerpos fusiformes (20-60 11m de diámetro) con largas y lisas dendritas de hasta 1000 11m de longitud con una disposición discoidal de sus árboles dendríticos con dimensiones de 1.500 x 1.000 x 250 I1m42 • Por lo
tanto el Vim y el GP tienen características morfológicas
que facilitan el registro de espigas de gran amplitud en sus
inmediaciones (ver Figuras 1,4,6 Y 7).
El estado funcional de una estructura en la fisiopatología de una enfermedad le confiere también particularidades
a la actividad eléctrica de las neuronas que la componen
que facilitan su identificación; tal es el caso de la enfermedad de Parkinson. El incremento del conocimiento sobre
las características de los ganglios basales, sus conexiones
extrínsecas e intrínsecas, los neurotransmisores y neuromoduladores que regulan su actividad y por otra parte la experiencia con animales ha permitido proponer un modelo de
la fisiopatología de estos trastornos en general y para el circuito motor en particular que se ha sometido a prueba, tanto utilizando animales experimentales como en cerebros
humanos, confirmándose en buena medida las hipótesis
que los sustentan5.9•JO • Se afirma que existe una amplia asa
de retroalimentación Corteza sensorimotora - Estriado - GP
- Tálamo - Corteza sensorimotora, que en su porción intermedia (Estriado - GP) tiene dos componentes uno directo o
vía directa (Estriado - GPm) de naturaleza inhibitoria (GA175
Sistema automatizado de registro de la actividad eléctrica de estructuras profundas del sistema nervioso central
r_l
dt
[5]:
El.eeezso
Neurocirugía
G.zse S/diu
Z3 ;'
23 ....
23 ;'
Z3
vV/diu
Fig. 4.- Edición con las señales registradas en diferentes
puntos del cerebro durante un procedimiento de Palidotomía,
con registro de Sustancia Negra Reticulata al final del trayecto.
BA como neurotransmisor) con su actividad deprimida en
los síndromes hipocinéticos (como por ejemplo la enfermedad de Parkinson) y otra vía indirecta (Estriado - Globo Pálido Lateral (GPl) - núcleo Subtalámico (STN) - GPm) cuyas dos primeras conexiones (Estriado - GPl Y GPl - STN)
tienen naturaleza inhibitoria (GABA como neurotransmisor en ambas), de los cuales la primera es hiperactiva por
predominar los receptores D2 en su contro14•30 y cuyo efecto
inhibitorio sobre el GPl provoca un decremento en la acción de freno del GPl sobre el STN por su acción GABAérgica. Esta es una de las causas fundamentales del incremento de la actividad de las neuronas del STN, de naturaleza excitatoria (Glutamato como neurotransmisor), que
tiene por tanto en estos casos una importante acción sobre
el GPm y la Sustancia Negra Reticutata (SNr), ambos con
poblaciones neuronales de proyección fundamentalmente
GABAérgica y cuya sobreexcitación incrementa la inhibición sobre el tálamo ventral e intralaminar, importante
componente en el control de la ejecución de los movimientos por la corteza 3.30,44. Luego en la enferni.edad de Parkinson el GPm y la SNr están sobreexcitados (la inhibición de
la vía directa sobre ellos está deprimida y por el efecto excitatorio del STN, estimulado este por la vía glutamatérgica cortical sin el control del fecto de freno de las neuronas
GABAérgicas del GPl), por lo que sus neuronas tendrán un
alto nivel de descarga (ver Figuras 4 y 5), caracterizada esta por grandes amplitudes debido a la morfología de sus
neuronas y por una alta frecuencia producto de sus propiedades dinámicas (ver Figura 4).
La porción motora del GPm cuando se atraviesa en
una trayectoria con entrada frontal puede tener a continuación el tracto óptico40 , estructura que es necesario localizar
con exactitud por dos razones fundamentales: por ser una
importante referencia en la localización correcta de la porción del GPm que es necesario destruir para mejorar la rigidez e hipocinesia y para evitar al mismo tiempo secuelas
visuales. Al sobrepasar el área del GPm con el semi-microelectrodo se produce una caída abrupta de la actividad
eléctrica registrada. En esta zona de baja actividad eléctrica se puede detectar el tracto óptico estimulando el sistema visual del paciente con unflash. Esto origina una avalancha de potenciales de acción en el nervio óptico que se
propaga hacia la corteza, los componentes de esta actividad evocada producirán una deformación transitoria de la
línea de base del registro multiunitario que es perfectamente detectable por el sistema de registro, asegurándose
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Fig. 3.- Ampliación del gráfico de la Actividad Eléctrica
Integrada acoplada sobre la representación de una parte de
la trayectoria explorada dentro del cerebro en un procedimiento de Vim-Talamotomía.
176
A:
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Fig. 5.- Gráfico de la Actividad Eléctrica Integrada acoplada sobre la representación de la trayectoria explorada
dentro del cerebro en un procedimiento de Palidotomía, con
registro de Sustancia Negra Reticulata alfinal del trayecto.
Neurocirugía
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Fig. 6.- Edición con las señales registradas en diferentes
puntos del cerebro durante un procedimiento de palidotomía,
con localización del tracto óptico al final del trayecto.
así la ubicación de esta estructura (en la Figura 6 se pueden apreciar las señales registradas en el mismo punto sin
y con estimulación visual).
La función específica en que participan las neuronas
en el Sistema Nervioso dependen de la naturaleza de esas
unidades, de su ubicación física y de las conexiones que
establecen. Todo esto también determina sus patrones de
comportamiento y las características de su actividad eléctrica. En las estructuras que participan en el control del
movimiento abundan las unidades que modifican su actividad cuando se realizan movimientos pasivos de las articulaciones. Habitualmente muestran una organización espacial de las distintas partes del cuerpo que se conserva a
lo largo de todas las interconexiones que se producen entre ellos (organización somatotópica)41. Neuronas con estas características han sido ampliamente descritas en la región del núcleo Vim J2 ,J6. En nuestra experiencia las hemos
encontrado también pero en menor número en las porciones motoras del GPm y el STN para los movimientos de
las articulaciones de las extremidades siguiendo la organizción somatotópica descrita para los primates no humanos y en la SNr pero fundamentalmente relacionadas con
la estimulación de husos neuromusculares o receptores
tendinosos de estructuras axiales, como son los músculos
relacionados con la fonación, de la faringe y del tórax (datos no publicados). En el caso particular del núcleo Vim
que es donde clásicamente se han descrito, se les ha llamado neuronas cinestésicas y constituyen un importante
elemento en la localización del blanco neuroquirúrgico sobre todo aquellas áreas donde se concentran las unidades
que cambian su actividad eléctrica con el movimiento de
las articulaciones de las porciones más afectadas por la
enfermedad, como pueden ser las manos, muñecas y codos. Por ejemplo, la exploración de la actividad multiuni-
Fig. 7.- Muestra de la discriminación por amplitud de las
espigas y de los juegos de cursores tanto en el eje de amplitud como en el del tiempo. En este caso se puede apreciar la
correlación entre las grandes descargas en la señal del núcleo Vim del tálamo (señal superior) y el temblor en la extremidad superior del hemicuerpo contralateral del paciente
(señal inferior: registro electromiográfico simultáneo).
taria del núcleo ve (límite posterior del Vim y que tiene
un importante papel en el procesamiento de la información táctil discriminativa del cuerpo y la cara) muestra un
nivel de descarga que se asemeja a las del Vim lo que hace difícil su delimitación; pero las unidades cinestésicas
DEEP RECORD
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---.J
w3
ro 2
frequency
[Hz]
Fig. 8.- Función de densidad autoespectral de potencia
de la seíial cerebral registrada dentro del núcleo Vim del tálamo en un paciente con la enfermedad de Parkinson y con
predominio del temblor. Obsérvese el pico de amplitud en el
valor de frecuencia coincidente con la del temblor de la extremidad superior del hemicuerpo contralateral del paciente.
177
Sistema automatizado de registro de la actividad eléctrica de estructuras profundas del sistema nervioso central
Neurocirugía
TABLA 1
Reporte final del sistema NDRS sobre el registro en una trayectoria durante un procedimiento
deYin-Talamotomíaen un paciente con la enfermedad de ParlWJ.son.
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PACIENTE: J ... L. .. A ... (Trayectoria: A)
#Reg
Dist [mm]
Act. Integ [fJV]
1
4
13
16
19
29
37
39
40
41
42
44
47
48
63.00
53.00
27.00
21.00
17.00
9.30
7.00
6.60
6.40
6.00
5.80
5.60
5.20
5.20
6257.8
2238.3
5075.2
3445.0
5514.7
7541.2
10542.2
7703.0
8910.6
8814.9
9653.9
13472.0
14345.0
12539.2
49
50
54
58
59
60
65
67
68
71
72
76
5.20
5.20
4.30
3.40
3.40
3.20
2.10
1.80
1.60
1.10
1.00
-0.50
13293.2
11680.7
11967.3
19058.3
18271.0
14524.1
10644.4
12840.6
10216.9
9860.4
10680.4
9504.5
Estructura y Observaciones
CORTEZA/
SUSTo BLANCA /
CAUDADO/
SUSTo BLANCA /
TALAMO/
TALAMO / CADERA AL MOVER LA PIERNA
VIM/
/ DISCRETO SONIDO CON DEDOS
/ DISCRETO HOMBRO Y CODO
/MUÑECA
/ CODO, MUÑECA Y CUANDO SOPLA
VIM / HOMBRO, CODO, MUÑECA, MENOS BOCA
VIM / HOMBRO, CODO, MUÑECA, GRAN ACTIVIDAD
VIM / RITMO DEL TEMBLOR, GRANDES ESPIGAS (+),
HOMBRO!, CODO!, MUÑECA!
VIM / HOMBRO!, CODO!, MUÑECA!
VIM / RITMO DEL TEMBLOR!, HOMBRO!, CODO!, MUÑECA!
VIM / HOMBRO, MUÑECA, ALGO DE DEDOS
VIM / GRAN ACTIVIDAD, GRANDES ESPIGAS
VIM / RITMO DEL TEMBLOR, GRANDES ESPIGAS
VIM / RITMO DEL TEMBLOR
VIM / MUÑECA, DEDOS, HOMBRO, CODO
VIM / EXTENSOR DE LA MUÑECA
/ MUÑECA, DEDOS, BOCA AL TACTO
/ DISMINUYEN LAS RELACIONES CON LAS EXTREMIDADES
/BOCA,GARGANTA
/ CARA, LARINGE
decrecen bruscamente al penetrar a esta estructura y comienzan a predominar las neuronas que modifican su actividad eléctrica cuando se estimulan exteroceptores de las
áreas representadas somatotópicamente, lo que se logra
rozando la piel con una pluma, trozo de ~lgodón o torunda, estimulando así sólo los receptores relacionados con el
tacto superficiaP'. Por lo tanto durante los procedimientos
de Vim-Talamotomías, y también en los de Palidotomías,
los reflejos de estiramiento de los músculos del hemicuerpo contralateral son explorados para inducir las descargas
de estas neuronas cinestésicas. El sonido de las unidades
descargando sobre la actividad de fondo más la visualización de los trenes de espigas, definen este tipo de neuronas y su distribución somatotópica en el área. La Figura 3
representa una ampliación del gráfico de la Actividad
Eléctrica Integrada de la Figura 2, precisamente en la región de mayor interés, en este caso: la región talámica, en
ella se recogen algunos de los hallazgos encontrados a lo
largo de la trayectoria registrada (ver también Tabla 1).
178
En el Vim fundamentalmente, suelen además encontrarse con frecuencia unidades que espontáneamente descargan rítmicamente con similar frecuencia a la del temblor3 ], es decir, sus señales eléctricas poseen una alta correlación en tiempo con el EMG del músculo contralateral
con temblor (ver Figura 7) y constituyen zonas importantes relacionadas con la génesis o el mantenimiento de los
circuitos responsables de esa actividad trembrígena]7.]8.
Esta correlación se comprueba, incluso de forma cuantitativa, en el Autoespectro de Potencia de dichas señales
cerebrales con el pico que aparece a la frecuencia del temblor según el EMG simultáneo (Figura 8)2.]5. Y precisamente, el hecho de localizar estas neuronas aumenta la seguridad en la selección adecuada del sitio de lesión en este
tipo de procedimiento quirúrgic0 3 ],4].
Para apreciar en un primer momento esta correlación
entre la señal del registro profundo y la del EMG es útil el
procedimiento de discriminación por amplitud de las espigas al seleccionar un valor umbral adecuado y comparar la
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Sistema automatizado de registro de la actividad eléctrica de estructuras profundas del sistema nervioso central
señal de discriminación con la del EMG (ver Figura 7).
En la Figura 7 también se puede observar la utilidad de
los juegos de cursores para el análisis de las señales en el
dominio temporal.
Como se aprecia en las Figuras 2 y 5, los valores integrales, por su parte, permiten delimitar, tan preciso como
cercanos se realicen los registros, los bordes de las estructuras grises rodeadas por sustancia blanca, y de esta forma
corroborar las trayectorias y posiciones calculadas durante
la planificación quirúrgica31 • El sistema NDRS brinda además la posibilidad de superponer en un mismo gráfico los
comportamientos de la Actividad Eléctrica Integrada encontrados en diferentes trayectorias registradas en un mismo paciente, lo que facilita al personal médico la comparación entre las diferentes trayectorias realizadas. Esto reviste aún mayor importancia si se tiene en cuenta que generalmente el volumen de la lesión abarca un área mayor
que el registrado por una sola trayectoria. Con los Informes Finales de cada una de las trayectorias registradas
(ver Tabla 1) y este multigráfico con la Actividad Integrada de todas ellas en la pantalla de la computadora, el personal médico puede decidir las zonas que aún deben ser
exploradas o la localización de los puntos a lesionar o implantar para culminar el acto quirúrgico.
Conclusiones
1.- El sistema NDRS para el registro y procesamiento
de las señales eléctricas de estructuras profundas del SNC
utilizando semi-microelectrodos permite desarrollar la
neurocirugía funcional estereotáxica guiada por semi-microrregistros profundos del cerebro, aumentando la seguridad en la correcta selección de los lugares de lesión o implante dentro del cerebro de los pacientes, para el control
de los diferentes síntomas de la enfermedad de Parkinson
u otros movimientos anormales.
2.- El sistema NDRS permite sustituir con una microcomputadora personal IBM y una tarjeta ADC (inversión
del orden de los 4 000 USD, a precios de 1994) todo el
complejo y costoso equipamiento de registro y procesamiento analógico de este tipo de señales (valorado en el
año 1994 en más de 59 000 USD).
3.- El NDRS es un sistema capaz de acoplarse a equipos de preamplificación, amplificación y filtraje similares
a los utilizados convencionalmente para obtener potenciales evocados y electromiografías, lo que le da una mayor
flexibilidad para su instalación.
4.- El NDRS automatiza la manipulación y procesamiento de la información registrada, haciendo más cómodo y seguro este trabajo para el personal médico y contribuye, por otra parte, a reducir el tiempo quirúrgico.
5.- El NDRS facilita la sistematización de la experiencia que se va acumulando por parte del personal médico.
Neurocirugía
6.- Este tipo de sistema propicia el continuo desarrollo
del procedimiento de registro cerebral profundo y por tanto de la técnica quirúrgica como tal, al simplificarse y abaratarse su perfeccionamiento y la incorporación de nuevos
tipos de procesamientos y análisis (en lugar de requerirse
la compra de nuevos equipos, sólo es necesario la modificación o ampliación del programa con nuevos módulos).
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