使用电极系统记录皮层与皮下神经元活动

摘要

来源：Trenado, C.，等。联合应用有创皮层下与无创表面神经生理记录评估人类认知与情绪功能。J. Vis. Exp. (2016)。

本视频展示了在基于注意力的视觉刺激测试期间，使用脑电图（EEG）和深部脑刺激（DBS）电极记录皮层和皮层下神经元活动的过程。

方案

所有涉及人类参与者的操作均按照机构、国家和国际关于人类福祉的指南进行，并已通过当地机构审查委员会的审查。

1. 实验范式设计与患者的知情同意

注意：设计一个实验范式，或选择一个现有的实验范式，以针对感兴趣的特定认知/情绪方面。

1. 选择将接受脑深部电刺激（DBS）治疗的患者。确认患者是否符合研究的纳入标准。如果符合，则获取患者和/或伦理委员会（如适用）签署的知情同意书，以进行术后记录及相应认知范式的应用。
   注意：术后记录在初次DBS手术后的次日进行，该手术用于植入DBS电极（并通过特殊导线将电极引出至头皮外），且在第二次手术（用于永久植入DBS电极和刺激器）之前完成。
   1. 在Flanker任务（示例1）中，获取患有运动障碍疾病（例如，亨廷顿病或帕金森病）的患者的书面知情同意书，以进行术后记录。Flanker实验的目标是测试患者对错误行为的适应能力，并确定这种适应如何反映在皮层和皮层下水平的脑振荡活动中。
      ​注意：患者的选择取决于所要研究的认知机制及其具体疾病状况。在DBS-DOC案例示例（示例2）中，选择了一名38岁时因头部外伤导致意识障碍（DOC）的女性患者。由于该患者状况限制了其提供知情同意的能力，DBS治疗及实验参与仅由当地伦理委员会批准。DOC术后记录的主要目标是确定在如此严重的意识障碍患者中，与认知-情绪处理相关的大脑功能是否仍然保持完整。
2. 选择要呈现的刺激类型（听觉、视觉），确定刺激呈现顺序（区组设计或混合设计），并设定刺激持续时间、刺激间间隔（ISI）以及试验次数。
   1. 以一个实际示例说明，执行Flanker任务（示例1，图1A），以考察个体在发生反应错误后调整行为的能力。该任务包含视觉刺激（垂直排列的箭头符号）。
   2. 用两个相邻箭头（位于目标箭头上方和下方）对目标刺激（居中的箭头）进行 flank，这些 flank 箭头指向相同方向（相容条件）或相反方向（不相容条件）。此外，还需考虑停止试验（中心为圆形）。
   3. 将目标刺激呈现在左侧或右侧，并要求受试者用左手或右手拇指按下相应的反应按钮。在停止试验中，指示受试者不作反应。flanker刺激在目标刺激出现前200毫秒呈现，目标刺激显示时间为300毫秒，反应-刺激间隔设为2,000毫秒（时间结束时以提示音提示）。本任务共呈现四个区组，每区组包含120个刺激。相容刺激（60%）、不相容刺激（20%）和停止试验刺激（20%）随机呈现。
      注意：选择此刺激间隔值是为了避免在运动功能障碍患者中出现大量遗漏试验。flanker和目标刺激同时关闭，患者被要求尽快做出反应。
      注意：在DBS-DOC案例示例（示例2，图1B）中，实验范式采用区组设计，包含中性非指向性言语和熟悉指向性言语刺激26。刺激持续时间设定为4秒（刺激间间隔随机设置为4至5秒）。该范式中每种条件共包含80次试验（图1B）。
3. 考虑患者在术后环境下的身体限制和实际需求。具体评估患者是否能够正常使用计算机键盘，需考虑是否存在明显的舞蹈样动作（亨廷顿病）或震颤（帕金森病）。
   1. 确保患者在整个实验过程中能够清晰看到显示器（因为在DBS手术期间使用的局部麻醉或立体定向头架可能导致面部及眼部周围肿胀），并能舒适地坐姿完成实验。若患者无法满足上述条件，则不应进行实验。

2. 术后皮层下（局部场电位或LFPs）和表面（脑电图或EEG）记录的设置

1. 在实验进行的房间内设置脑电图（EEG）设备（参见补充文件中的材料部分）。将记录用计算机连接至EEG系统，并启动EEG记录软件（参见补充文件中的“材料”部分）。
2. 在EEG记录软件中点击“文件”，然后选择“新建工作区”，以定义工作区参数：采样频率设为5 kHz，高通滤波（DC）和低通滤波频率设为1,000 Hz；根据国际10/20系统设置EEG通道（至少包括额中央（Fz）、中央中央（Cz）、额极参考电极（Fpz）和接地电极（乳突）；根据实验范式还可额外设置顶中央（Pz）、枕中央（Oz）、颞区（T3/T4）、额内侧（F3/F4）、额外侧（F7/F8））（图2D）；同时设置局部场电位（LFP）通道（左侧半球：LFPL0、LFPL1、LFPL2、LFPL3，图2C；右侧半球：LFPR0、LFPR1、LFPR2、LFPR3）。点击“监测”以确认所指定的通道已正确配置用于记录。
   注意：工作区应预先设置完成，以最大限度减少实验时间并避免记录配置出现意外更改。这将确保获得最高的时间分辨率、正确的滤波设置、适当的采样率以及对目标通道的准确选择。
3. 通过将刺激计算机的并行端口连接至EEG系统来设置刺激计算机。启动刺激呈现软件，点击“运行”以在计算机显示器上检查视觉刺激和/或扬声器上的听觉刺激（声音提示）是否正常工作。在刺激呈现及受试者反应过程中，检查EEG记录软件上的标记（触发信号）是否被正确接收，以确认刺激计算机的触发信号已成功输入记录系统。
   注意：刺激设备发出的触发信号持续时间必须至少为200 µsec，才能被EEG系统检测到（在5 kHz采样率下）。由于触发信号用于标记在特定时间点发生的事件相关活动或诱发电位，其功能对于后续的数据分析至关重要。在DBS-DOC案例示例（示例2）中，实验范式（图1B）包含听觉刺激（熟悉与不熟悉的声音），因此在每个刺激开始和结束时均设置了触发信号。在Flanker任务案例中（图1A），触发信号分别设置在以下三个时间点：1）干扰项与目标刺激出现时；2）患者做出反应时；3）发出提示音告知患者反应时间已结束时。
4. 使用皮肤标记笔，在患者头部标出鼻根与枕外隆突之间的中点作为头顶点（vertex），操作时应遵循经验丰富的神经科医生或EEG专家的建议。此外，依据10-20系统标出所选EEG电极的位置。在安放表面EEG电极前，先用异丙醇棉片清洁每个选定部位，再使用研磨膏进行处理。
   注意：对于接受深部脑刺激（DBS）治疗的患者，头部包扎物的存在可能限制电极的放置。然而，经验丰富的神经科医生应能为每个电极/通道确定合适（近似）的位置。为确保良好接触，必要时应拨开毛发（如适用）。由于自粘式电极便于安放，可考虑使用手术胶带加以固定。
5. 将外置的DBS电极连接至经皮延长线，再将经皮延长线连接至外部电缆连接器。根据EEG记录设置，将外部电缆连接器提供的各个电极连接至EEG控制盒。连接EEG头皮电极时，应先插入接地电极和参考电极。
6. 在指定肌肉部位安放肌电图（EMG）电极（参考电极和活动电极），安放前先用异丙醇棉片清洁皮肤区域，随后将EMG电极连接至EEG控制盒。
   注意：此步骤为可选操作，主要用于实验范式中包含运动任务，或需要监测肌肉活动的情况，例如运动障碍患者。
7. 点击“监测”以实时查看数据。通过检测是否存在抖动或叠加的高频成分，确认显示器上的EEG和EMG信号无伪迹干扰。可参考有关EEG信号记录中常见伪迹类型及其他相关因素的指导文献35，或在熟悉此类生理记录中常见的干扰类型之前，向经验丰富的神经科医生或神经科学家寻求技术建议。
   注意：此步骤对于确保离线数据分析时获得高质量信号至关重要。

3. 术后皮层下局部场电位（LFPs）和表面脑电图（EEG）活动的记录

1. 向患者提供指导说明。确保患者处于舒适状态，并告知其在感到任何不适时可随时终止实验。
2. 点击刺激软件上的“run”按钮，使患者能够在显示器上看到实验范式和/或听到提示音和声音。对患者进行训练，直至其熟悉任务操作。在患者执行实验任务的同时，开始同步记录皮层下（LFP）和皮层（EEG）脑电活动。
   注意：以DBS-DOC病例示例（示例2）为例，实验范式采用组块设计的听觉刺激，如（图1B）所示。在Flanker任务中（图1A），每个组块内随机呈现三种视觉刺激条件（兼容条件占60%，不兼容条件占20%，停止试验占20%）（混合设计），每个组块包含120个刺激，整个范式共包含四个组块。任务完成后，数据将存储在记录计算机的硬盘中，供后续离线筛查和定量分析使用。

结果

图 1：典型实验范式示例。（A）（示例 1）Flanker 任务：中心位置的目标刺激（箭头）上下各有两个相邻箭头作为干扰刺激，其指向与目标相同（相容条件）或相反（不相容条件）；此外也包含停止试验（中心为圆形）。当目标箭头指向左侧或右侧时，参与者需分别用左手或右手拇指按下对应反应键；在停止试验中，参与者被要求不作任何反应。本研究所采用的 Flanker 任务是在 Prof. C. Beste 及其团队最初编程版本基础上修改而成（详见致谢部分）。（B）（示例 2）在 DBS-DOC 病例示例中使用的情绪-认知言语范式。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
BrainAmp 放大器	Brain Products GmbH，Gilching，德国		数量：2
BrainVision Recorder 软件	Brain Products GmbH，Gilching，德国		1 个许可证
BrainVision Analyzer 软件	Brain Products GmbH，Gilching，德国		1 个许可证
光纤电缆和USB连接器	Brain Products GmbH，德国吉尔兴		这些随附上述所列设备
电极输入框（64通道）	Brain Products GmbH，Gilching，德国		数量：1
脑电图凝胶	Natus Inc		数量：1
异丙醇	Schülke & Mayr 公司，德国		数量：1
皮肤准备凝胶	Weaver and Co，美国		数量：1
MATLAB	Math-Works，美国马萨诸塞州纳蒂克		1 个许可证
FieldTrip 工具箱	http://www.fieldtriptoolbox.org/		开源
INOMED MER 系统	INOMED 公司，德国埃门丁根		数量：1
宏电极（型号 3387 四极 DBS 电极）	美敦力公司，明尼阿波利斯，明尼苏达州，美国		数量：2
无菌经皮延长导丝（型号 3550-05）	美敦力公司，美国明尼苏达州明尼阿波利斯		数量：2
扭锁电缆（型号 3550-03）	美敦力公司，明尼阿波利斯，明尼苏达州，美国		数量：2
定制连接器转DIN 428092防触电连接器			数量：2
Vercise 电极套件 DB -2201	波士顿科学公司		数量：2
接触延伸套件 NM-3138	波士顿科学公司		数量：2
O.R. cabel & 延长线 SC-4100 A	波士顿科学公司		数量：2
防触电连接器	Twente Medical Systems International B.V.		数量：2
CT扫描仪型号PQ2000（术后CT扫描）	飞利浦医疗保健有限公司汉堡分公司		数量：1
演示软件（Flanker任务）	Neurobehavioral Systems 公司		1 个许可证