تسجيل الإنسان Electrocorticographic (ECOG) إشارات للبحوث العلمية العصبية في الوقت الحقيقي ورسم الخرائط القشرية وظيفي

الهدف من هذا الإجراء هو الحصول على بيانات تخطيط كهربائية قشرية (electro cortico graphic) بجودة بحثية من المرضى الذين يخضعون لمراقبة سريرية للصرع، واستخدامها لإجراء تخطيط وظيفي في الوقت الفعلي. يتم تحقيق ذلك أولاً من خلال إعداد نظام استحواذ إشارات بجودة بحثية يمكن توصيله بنظام المراقبة السريرية للصرع دون التأثير على المراقبة السريرية أو مقاطعتها. وتتمثل الخطوة الثانية في التخطيط الوظيفي في تسجيل الإشارات المرجعية بينما يكون المريض مستيقظاً ولكن في حالة راحة تامة.

بعد ذلك، يتم معالجة الإشارات لاستخراج السمات التي تمثل نشاط الدماغ في نطاق تردد غاما العالي، وتُستخدم هذه السمات لبناء نموذج للحالة الأساسية لدماغ المريض. وتتمثل الخطوة النهائية في جعل المريض يؤدي مهاماً معرفية أو حركية بسيطة بينما تقوم خوارزميات اكتشاف الجدة في نظام Siegfried بتسليط الضوء على أجزاء القشرة الدماغية التي يختلف فيها نشاط غاما العالي بشكل ملحوظ عن الحالة الأساسية. وفي النهاية، يوضح معامل التحديد عند موقع كل قطب كهربائي المناطق القشرية التي تظهر تنشيطاً ملحوظاً أثناء أداء المهمة.

يتم بعد ذلك تأكيد مشاركتها عن طريق رسم خرائط التحفيز الكهربائي للقشرة الدماغية، حيث تجعل نتائج التصوير الوظيفي إجراء رسم خرائط التحفيز أسهل وأقل استهلاكاً للوقت من خلال توفير معلومات تكميلية. ويُعرَّف تخطيط كهربائية القشرة الدماغية (ECOG) باستخدامه لأقطاب كهربائية شبكية وشريطية تحت الجافية لتسجيل النوبات المعتادة للمريض أيضاً. ولتحفيز هذه الأقطاب كهربائياً، يتم تحفيز قطب واحد أو اثنين في كل مرة لمحاولة التدخل في وظائف معينة مثل الوظيفة الحركية أو الوظيفة اللغوية، وذلك لرسم خريطة للقشرة الدماغية البليغة التي يجب الحفاظ عليها وتجنب استئصالها.

تتميز تقنية تخطيط كهربية الدماغ القشري (ECOG) بمزيج من الدقة الزمنية العالية والدقة المكانية العالية، وهو أمر لا يتوفر ببساطة في تقنيات القياس الأخرى مثل تخطيط كهربية الدماغ (EEG) أو التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI). وبوجه خاص، فإنها الطريقة الوحيدة للحصول على تسجيلات جيدة للنشاط الكهربائي للدماغ في نطاق ترددات غاما العالية، والتي تُعد مؤشراً غنياً بالمعلومات لمجموعة واسعة من وظائف الدماغ. وتُعتبر ECOG تقنية تسجيل تداخلية حيث يتم وضع شبكات مباشرة على سطح الدماغ، لذا فإن هذا يتطلب عملية جراحية ولا يتم إجراؤها إلا في الحالات السريرية التي تستدعي الجراحة.

عادةً ما يقيم المرضى في وحدة مراقبة الصرع لمدة أسبوع تقريبًا حتى يتمكن الأطباء من جمع معلومات كافية لتحديد موقع بؤرة النوبة خلال هذه الفترة. وإذا وافق المريض، يمكنه المشاركة في الأبحاث، وبشرط ألا نعطل المراقبة السريرية، يوفر ذلك نافذة فريدة من الفرص للباحثين لتسجيل نشاط الدماغ البشري أثناء العمل. في هذا الفيديو، سأقوم بشرح كيفية تحديد موقع أقطاب تخطيط كهربائية الدماغ (ECOG) عن طريق التسجيل المشترك لصورة رنين مغناطيسي قبل الجراحة وصورة أشعة مقطعية بعد الجراحة، كما سأستعرض شكلاً جديداً من رسم الخرائط الوظيفية بناءً على سمات غاما في إشارات ECOG. قبل الجراحة، يتم الحصول على صورة رنين مغناطيسي هيكلية للرأس موزونة T1 للمريض بدقة 256 × 256 بكسل لكل شريحة، ومجال رؤية كامل، وبدون استيفاء، وعرض شريحة يبلغ 1 millimeter، ويفضل أن تكون الشرائح سهمية.

ثم في يوم الجراحة، راقب عملية الزرع الجراحي للأقطاب الكهربائية الشبكية والشريطية، والتقط صوراً رقمية للأقطاب في موقعها، بالإضافة إلى تدوين ملاحظات جراح الأعصاب حول مواقع الزرع. بعد الجراحة، احصل على صور الأشعة السينية للجمجمة بعد العملية، بالإضافة إلى صور الأشعة المقطعية للدماغ، والتي يجب الحصول عليها من الجلد إلى الجلد بدقة عالية مع شريحة بسمك 1 mm، وعرض وبدون زاوية. بعد ذلك، استخدم حزمة برمجيات curry لإنشاء نموذج قشري ثلاثي الأبعاد لدماغ المريض من صور MRI قبل العملية، ثم قم بإجراء تسجيل مشترك لهذا النموذج مع صور CT التي تلت زرع الشبكة.

بعد ذلك، انقر بزر الماوس الأيمن على موضع كل قطب كهربائي بالترتيب، واختر "export cursor to localize". ولتسجيل الإحداثيات ثلاثية الأبعاد للأقطاب الكهربائية، قم بتصدير البنية القشرية ثلاثية الأبعاد للخاضع للاختبار وإحداثيات الأقطاب الكهربائية بتنسيق MATLAB. ثم قم بإنشاء تصدير على شكل مقطع فيديو يوضح الأقطاب الكهربائية المحددة على سطح الدماغ.

أيضاً، قم بمطابقة إحداثيات الأقطاب الكهربائية مع مناطق برودمان القياسية باستخدام أطلس رف آلي. راجع المعلومات المستمدة من النموذج ثلاثي الأبعاد، وصور الأشعة السينية، والصور الفوتوغرافية، والملاحظات. ضع اللمسات الأخيرة على مخطط ترقيم الأقطاب الكهربائية، ونسق مع فنيي المستشفى لضمان توصيل الأقطاب الكهربائية بصناديق التوزيع.

اتبع هذا الترقيم بدقة. كما يجب إنشاء مخطط توضيحي لعملية تمرير خيوط التنظيف (flossing) للأقطاب الكهربائية بحيث يمكن تمييز جميع مواضع الأقطاب بوضوح دون تداخل. اختر موقعين للأقطاب الكهربائية من المرجح أن يكونا صامتين من الناحية الكهربائية القشرية (electro cortico graphically silent) بعيداً عن القشرة الدماغية الفصيحة المفترضة لاستخدامهما كأرضي ومرجع أوليين.

بعد ذلك، قم بتجهيز مجموعة مترابطة من مضخمات GUSB. قم بمزامنتها عن طريق اختيار أحدها؛ وبصفتها الوحدة الرئيسية، قم بتوصيل مخرج المصبغ (sink out) الخاص بها بمدخل المصبغ (S sink in) في الوحدات الأخرى، ثم أدخل الرقم التسلسلي للوحدة الرئيسية كـ BCI 2000.

المعلمة الرئيسية لمعرف الجهاز. قم بتوصيل مقابس المرجع الزرقاء ببعضها البعض وتوصيل مقابس الأرضي الصفراء ببعضها البعض في أقصى يمين المجموعة. هذا هو المكان الذي ستقوم فيه بتوصيل المرجع المختار باللون الأزرق والأرضي باللون الأصفر قبل بدء الجلسة.

قم بإعداد ملف do I nni نموذجي يحتوي على إعدادات معالجة الإشارات التي سيستخدمها برنامج Siegfried لبناء النموذج. قم أيضاً بإعداد ملف dot PRM أو أجزاء dot PRM منفصلة تحتوي على المعلمات التي سيعتمدها نظام BCI 2000 لعمليتي الاستحواذ والتصور في الوقت الفعلي. هناك معلمتان أساسيتان لبرنامج Siegfried هما مواقع الأقطاب الكهربائية، والتي تحدد المخطط ثنائي الأبعاد المختار لأقطاب المريض الكهربائية، وحالة القطب الكهربائي، والتي تحدد المهام التي سيتم تعيينها تحت أي ظروف.

يرجى الانتباه إلى أن الوقت المخصص مع المريض محدود. لذا، يجب أن تكون جميع الإجراءات متينة ومحسنة ومُجربة مسبقاً. اختر الوقت المناسب لاقتراح التسجيلات التجريبية على المريض، مع إخطاره في وقت مبكر من اليوم وكذلك قبل 15 دقيقة من بدء الجلسة.

ضع الجهاز في مكانه بجانب سرير المريض، ثم قم بتوصيل شاشة الفيديو الخاصة بالمريض بالكهرباء وتشغيلها، وأخرج الكمبيوتر من وضع السكون. كذلك، قم بتوصيل نظام الحصول على البيانات بشبكات ECOG عبر الموصلات الموزعة. ابدأ تشغيل برنامج BCI 2000.

بعد ذلك، ومع تفعيل معلمة المصدر المرئية، اختر إعدادات المجموعة (set config)، ثم انقر بزر الفأرة الأيمن على جهاز العرض واضبط مرشح التمرير العالي على حد قطع يبلغ 5 hertz. لاحظ أن هذا الإعداد سيؤثر فقط على التصور المرئي وليس على جمع البيانات. تحقق من وجود تداخل ناتج عن ضوضاء الخط الكهربائي من خلال ملاحظة ما إذا كان تفعيل مرشح الثلمة (notch filter) في جهاز العرض يحدث فرقاً كبيراً في الإشارة.

إذا حدث ذلك، فحاول تقليل هذا التداخل عن طريق إزالة أي مصادر تداخل كهربائي مثل كابلات التداخل (cross-talking cables) غير المستخدمة. قم بتغيير الأقطاب المستخدمة للمرجع والتأريض إذا لزم الأمر. في حالة استخدام جهاز تتبع العين، قم بمعايرته باستخدام برنامج المعايرة المقدم من الشركة المصنعة لتجنب المشتتات والمقاطعات ولتقليل تداخل الإشارات المحتمل.

تأكد من إيقاف تشغيل أي أجهزة تلفاز أو راديو أو هواتف محمولة في الغرفة. ابدأ الجلسة التجريبية بتسجيل النشاط الأساسي أولاً. اطلب من المفحوص الاسترخاء والبقاء دون حركة مع إبقاء العينين مفتوحتين.

ثم ابدأ معالجة الإشارة الوهمية لمصدر تضخيم GUSB وعرض المحفز. وحدات المهام. سجل ست دقائق من نشاط الخط القاعدي مع إضاءة مريحة في بيئة هادئة.

بعد ذلك، قم بتشغيل أداة واجهة المستخدم الرسومية لتحويل البيانات إلى نماذج (data to model GUI tool) المهيأة لاستخراج الميزات في نطاقات ترددية تبلغ خمسة هيرتز من 70 إلى 110 هيرتز، باستخدام طريقة الإنتروبيا القصوى لكل 500 مللي ثانية من البيانات. اضغط على "بناء النموذج" (build model) لإنشاء نموذج احتمالي للميزات الطيفية المختارة باستخدام خليط جاليوم. والآن، قدم تعليمات دقيقة للمريض بشأن المهمة التجريبية التي سيتم تنفيذها في هذه المرحلة.

سيقوم الخاضع للتجربة بأداء كل مهمة لمدة 10 ثوانٍ في كل مرة على مدار خمس تكرارات. قم بتشغيل مصدر تكبير GUSB وموديولات Siegfried Sig Pro lava وعرض المحفزات، وقم بتكوين المشغل لتحميل النموذج الاحتمالي، والنموذج القشري، وإحداثيات الأقطاب الكهربائية ثنائية وثلاثية الأبعاد. اضغط على زر البدء في المشغل لبدء التجربة وبدء عملية التخطيط.

يتم تدفق البيانات الخام تلقائياً بالتزامن مع علامات الأحداث حتى يتم الضغط على زر التعليق (suspend) أو انتهاء التشغيل التجريبي، وفي كل مرة يتم فيها الضغط على بدء (start) أو استئناف (resume)، سيتم إنشاء ملف جديد لتجنب الكتابة فوق البيانات السابقة خلال كل مهمة. يقوم برنامج Siegfried برصد نشاط تخطيط قشرة الدماغ (ECOG) المرتبط بالمهمة، والذي يتم عرضه في خرائط ثنائية وثلاثية الأبعاد للقشرة الدماغية تُحدث باستمرار. ويمثل حجم وكلما زاد احمرار كل دائرة مدى أهميتها في المهمة الجارية.

يمكن التحكم في تغيير حجم الدوائر لتصل إلى أقصى قيم لـ R squared باستخدام أشرطة التمرير طوال الجلسة. تأكد من مراقبة سلوك المريض وإشارات ECOG لرصد أي نوبات صرع مشتبه بها، وكن مستعداً لتنبيه الطاقم الطبي فوراً والاستجابة لتعليماتهم. نرى هنا مثالاً لصورة أشعة سينية جانبية لمريض ممثل.

تشير الدوائر الصفراء إلى الأقطاب الكهربائية المرتبطة باللغة الاستقبالية، كما تم تحديدها لاحقاً بواسطة تخريط التحفيز الكهربائي للقشرة الدماغية. تظهر هنا صورة تم التقاطها أثناء عملية الزرع لهذا المريض. وتوضح هذه المخططات نتائج تخريط Siegfried في تخطيط ثنائي الأبعاد.

يمثل حجم واحمرار كل قرص مدى أهمية مشاركة كل قطب كهربائي في المهمة مقارنة بخط الأساس، وهنا يتم تعيين الإحصائية ذاتها إلى اللون على نموذج ثلاثي الأبعاد للدماغ تم إنشاؤه من التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) للمريض. لقد أوضح هذا الفيديو كيفية تسجيل بيانات تخطيط قشرة الدماغ (ECOG) البشرية لأغراض البحث ومعالجتها في الوقت الفعلي باستخدام مجموعة برمجيات BCI 2000. ومن الأمثلة على تطبيقات BCI 2000 في الوقت الفعلي أداة التخطيط الوظيفي.

يمكن إجراء تخطيط زيغفريد (Siegfried mapping) في غضون 10 دقائق اعتماداً على عدد المهام التي يتم تنفيذها. ويمكن رؤية النتائج الأولية في غضون ثوانٍ، بينما يمكن الحصول على نتائج مستقرة خلال خمس إلى 10 تكرارات، يستغرق كل منها 10 ثوانٍ. وتكمن مزايا تخطيط زيغفريد في الأهمية الوظيفية عبر الشبكة بأكملها في وقت واحد، بينما يتطلب التحفيز الكهربائي تحفيز التيار في موقع كل قطب كهربائي، وهي عملية تستهلك وقتاً أطول بكثير وقد تؤدي إلى تحفيز نوبات صرعية.

ما زلنا نجري التخطيط الكهربائي، ولكن باستخدام Siegfried نحصل في البداية على خريطة أولية سريعة تقلص العملية بشكل كبير. وفي المستقبل، من المؤمل أن يسمح تحسين تصميم الشبكة بتطبيقات أخرى بعيداً عن مراقبة الصرع، على سبيل المثال، في مرضى السكتة الدماغية، لاستعادة الوظائف، وتحريك الأطراف الاصطناعية، وكذلك تعزيز التواصل لدى الأشخاص الذين يعانون من شلل في العضلات الصوتية أو أمراض من نوع ALS.

شكرًا لمشاهدتكم.