我们介绍一种从接受有创癫痫监测的患者中采集皮层脑电图信号以用于研究目的的方法。我们展示了如何使用BCI2000软件平台进行数据采集、信号处理和刺激呈现。具体而言，我们演示了SIGFRIED——一种基于BCI2000的实时功能性脑图谱绘制工具。
本文内容
摘要
摘要
研究人类认知、感觉和运动过程的神经影像学通常基于脑电图（EEG）、脑磁图或功能性磁共振成像等非侵入性技术。这些技术要么本身具有较低的时间分辨率，要么空间分辨率较低，且存在信噪比低和/或高频信号敏感性差的问题。因此，它们在探究许多潜在脑活动短暂的时空动态特性方面存在局限性。相比之下，皮层脑电图（ECoG）这一侵入性技术所获取的脑信号具有极高的信噪比，比EEG更不易受伪迹干扰，并具备较高的空间和时间分辨率（即 <1 cm/<1毫秒）。皮层脑电图（ECoG）通过植入大脑表面硬脑膜下的电极来记录脑电活动。近期研究表明，特定频段的ECoG信号幅度包含大量与任务相关活动的信息，例如运动执行与运动规划1听觉处理2 以及视觉-空间注意3大部分信息集中在高伽马频段（约70-110 Hz）。因此，伽马活动被认为是一种可靠且通用的局部皮层功能指标1-5ECoG 还可以揭示功能连接性，并解析更精细的任务相关时空动态，从而推动我们对大规模皮层过程的理解。它在推进脑机接口（BCI）技术方面尤其有用，可用于解码用户意图，以增强或改善交流能力6 和对照7然而，由于侵入性操作存在风险和局限性，且记录过程需在临床环境的限制下进行，人类颅内脑电图（ECoG）数据往往难以获取。尽管如此，用于定位癫痫灶的临床监测为收集人类ECoG数据提供了独特而宝贵的机会。本文介绍了我们采集ECoG记录的方法，并展示了如何利用这些信号实现重要的实时应用，如临床脑功能定位映射和脑机接口。我们的示例采用了BCI2000软件平台。8,9 和 SIGFRIED10 方法，一种用于脑功能实时定位的应用程序。该方法提供的信息可由临床医生进一步用于指导通过电刺激进行功能定位的复杂而费时的过程。
先决条件与规划：
对于药物难治性局灶性癫痫患者，可通过切除致痫灶以减少癫痫发作频率，从而考虑进行切除性手术。在切除手术前，患者需接受硬膜下电极监测，主要目的有两个：一是定位致痫灶，二是识别邻近的重要脑功能区（即功能显著皮层），以避免切除后导致长期神经功能缺损。为了植入电极，需实施开颅术以打开颅骨，随后将电极网格和/或条状电极放置于大脑皮层表面，通常位于硬脑膜下方。标准的网格电极通常由8×8排列的铂-铱电极组成，电极直径为4 mm（暴露表面为2.3 mm），嵌入硅胶材料中，电极间距为1 cm；条状电极通常包含4个或6个此类电极，呈单列排列。电极网格/条的放置位置由神经科医生和神经外科医生团队共同规划，依据包括既往脑电图（EEG）监测结果、患者脑部结构磁共振成像（MRI）以及相关病史因素。持续5至12天的长程记录可用于精确定位致痫灶，而通过植入电极施加电刺激则可帮助临床医生绘制功能显著皮层的功能图谱。监测期结束后，电极取出与治疗性病灶切除将在同一手术过程中完成。
除了其主要的临床目的外，侵入性监测还为神经科学研究提供了获取人类颅内脑电图（ECoG）数据的独特机会。是否将某位预期患者纳入研究，取决于其电极的预定放置位置、患者在神经心理学评估中的表现评分，以及患者在充分知情后自愿签署的同意书——该同意书基于患者理解参与研究是完全自愿的，且与他们的治疗无关。与所有涉及人类受试者的研究一样，研究方案必须经过医院机构审查委员会的批准。具体实验任务的执行由每日评估决定，取决于患者的身体耐受程度和参与意愿。某些或全部实验可能会因患者的临床状况问题而无法进行，例如术后面部肿胀、暂时性失语、频繁癫痫发作、发作后疲劳与意识模糊，以及其他更普遍的疼痛或不适。
在美国纽约州奥尔巴尼市奥尔巴尼医学中心的癫痫监测病房（Epilepsy Monitoring Unit），临床监测采用192通道的日机产科（Nihon-Kohden）Neurofax监测系统，全天候持续进行。研究性记录由位于奥尔巴尼的纽约州卫生部沃兹沃思中心（Wadsworth Center）合作完成。来自皮层脑电图（ECoG）电极的信号通过分路连接器同时输入研究系统和临床系统。为确保临床系统与研究系统互不干扰，这两个系统通常使用独立的接地。事实上，有时会植入一条硬膜外电极条，专为临床系统提供接地。无论是用于研究还是临床记录，接地电极的选择均需远离预测的癫痫灶以及研究关注的皮层区域。我们的研究系统由八个同步的16通道g.USBamp放大器/模数转换器单元（g.tec，奥地利格拉茨）组成。选择该设备的原因在于其具备安全认证并获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准，可用于侵入式记录；其在感兴趣的高频范围内具有极低的噪声基线；此外，设备配备软件开发工具包（SDK），可与自行编写的研究软件集成。为准确捕捉高频γ信号，我们以1200 Hz的采样率采集信号，远高于典型脑电图实验或多数临床监测系统的采样率。设备内置的低通滤波器可自动防止超出模数转换器采集能力的信号发生混叠。患者的眼动通过配备内置Tobii T-60眼动追踪系统（Tobii Tech.，瑞典斯德哥尔摩）的显示器进行监测。根据具体实验需求，还可连接其他附件，如操纵杆、蓝牙Wiimote（任天堂公司）、数据手套（5th Dimension Technologies）、键盘、麦克风、耳机或摄像机。
数据采集、刺激呈现、与不同输入/输出附件的同步，以及实时分析和可视化均通过我们的 BCI2000 软件实现8,9。BCI2000 是一个免费的通用软件系统，用于实时生物信号数据的采集、处理和反馈。该系统包含一系列预构建模块，可根据多种不同需求灵活配置，并支持研究人员使用 C++、MATLAB 或 Python 编写的代码进行扩展。BCI2000 由四个模块组成，这些模块通过支持网络通信的协议相互交换信息：源模块（Source module），负责从 19 种不同厂商的硬件系统之一获取脑信号；信号处理模块（Signal Processing module），用于提取相关的颅内皮层脑电图（ECoG）特征并将其转换为输出信号；应用模块（Application module），向受试者呈现刺激并提供反馈；以及操作员模块（Operator module），为研究人员提供图形化操作界面。
可对任意患者开展多种不同的实验。实验的优先顺序将由患者电极的具体位置决定。然而，我们通常首先采用SIGFRIED（实时信号建模与事件检测，SIGnal modeling For Realtime Identification and Event Detection）映射方法，该方法能够实时检测并显示与任务显著相关的脑活动。由此生成的功能图谱可帮助我们进一步优化后续实验方案，同时也可作为电皮层刺激（electrocortical stimulation, ECS）传统映射方法的一个有效起点。
尽管直接皮层电刺激（ECS）定位仍是预测切除手术临床预后的金标准，但该过程耗时较长，且存在其他问题，例如后放电或癫痫发作。因此，一种被动功能定位技术可能有助于初步估计功能重要皮层的位置，随后可通过ECS对此进行确认和精细修正。我们采用的被动SIGFRIED定位技术所得结果已显示出与ECS定位结果具有高度一致性10。
本文所述方案建立了一种采集人类颅内脑电图（ECoG）数据的通用方法，随后阐述了如何使用 BCI2000 软件平台启动实验。最后，作为一个具体示例，我们描述了如何基于 BCI2000 的 SIGFRIED 系统进行被动功能定位映射。
方案
1. 电极定位
- 采集患者头部的术前T1加权结构性MRI（1.5T或3T）：每层256 × 256像素，全视野，无插值，层厚1 mm，优先采用矢状面切片。
- 观察网格电极和条状电极的手术植入过程。采集电极原位的数码照片，并收集神经外科医生关于植入网格和条状电极位置的记录。
- 采集术后高分辨率头颅X线图像和脑部CT扫描（层厚1 mm，从皮肤到皮肤，无倾斜角度）。
- 利用术前MRI构建患者大脑的三维皮层模型，并将其与植入电极网格后的CT图像进行配准。我们使用CURRY软件完成此步骤，并将三维皮层结构和电极坐标导出为MATLAB格式。从MATLAB中导出一段视频，显示电极在大脑表面的分布情况。同时，使用自动化的Talairach图谱将电极坐标映射至标准Brodmann分区。
- 综合审查三维模型、X线图像、照片及手术记录信息。确定电极编号方案，并与医院技术人员协作，确保电极按照该编号方案准确连接至分线盒。同时创建一个二维电极布局示意图，使所有电极位置清晰可辨且互不重叠。如果计划运行SIGFRIED（见第4节），请将这些二维坐标保存为BCI2000参数片段，格式需符合ElectrodeLocations参数的要求。最后，选择两个可能在皮层电图上呈“静息”状态的电极位置（即远离推测的功能性皮层区域），作为初始的接地和参考电极（通过将参考电极连接至每个g.USBamp单元最右侧的蓝色插孔，接地电极连接至黄色插孔，完成设备准备）。
2. 硬件和软件设置
- 确保计算机配置能够满足实验处理需求。多核处理器可能对于实现实时数据采集与处理、视频录制及其他必要任务至关重要。在以1200 Hz频率记录和实时分析128个通道时，我们使用主频为3 GHz、配备4 GB内存的四核计算机。放大器应连接至专用的USB控制器，该控制器需独立于其他高带宽外设（如外接硬盘和摄像头）所使用的控制器（可通过系统的设备管理器进行验证）。最后，必须具备足够的磁盘空间以存储高达每秒5 MB的实验数据，并配备数据归档和备份系统。
- 将研究设备（放大器、计算机、实验者显示屏、键盘、扬声器、麦克风和摄像头）安装在同一辆推车上，仅需插入一根电源线即可快速推入或推出患者病房。在将计算机从一个房间移至另一个房间时，拔线前应使用Hibernate（休眠）功能。患者的视频显示屏应置于独立的托盘桌或显示器支架上。考虑到患者可能发生癫痫发作，必须确保所有设备能够迅速移开，以便医务人员紧急接触患者。设备在进入和离开患者病房前后均需使用消毒湿巾进行消毒。
- 与患者共处的时间有限，所有操作流程必须稳健且经过优化，以最大限度利用该时间。在此方面，BCI2000的灵活性与稳健性是极为宝贵的特性。确保实验可通过一键启动。对于BCI2000，可使用批处理文件自动启动正确的BCI2000模块组合，并包含所需的命令行选项。必须包含Operator（操作员）和gUSBampSource模块，以及适用于特定实验的相应SignalProcessing（信号处理）和Application（应用）模块。利用BCI2000的Operator脚本功能，确保自动加载所有必需的参数文件——包括针对该患者特有的参数文件，例如电极数量及其名称和位置。自动化的目的是尽量减少实验人员的手动操作步骤，从而降低出错风险。软件及其参数应在植入前至少一至两周完成最终确定并进行测试（可先在脑电图受试者上进行）。强烈建议在首次实验前一天进行一次包含所有新患者特异性参数的“模拟”运行。
3. 实验阶段设置
- 选择合适的时机向患者提出进行实验记录的建议，提前在当天早些时候告知，并在开始前15分钟再次提醒。安排实验时需避开访客探视、用餐、午休、医疗操作时间，并考虑患者的身体、情绪和认知状态。与所在病房的医务人员建立良好沟通至关重要，有助于优化记录的时间和持续时长。
- 将设备推至指定位置，连接电源插座，打开受试者的视频屏幕并将其连接至计算机，然后唤醒计算机。
- 启动 BCI2000。在启用 VisualizeSource 参数的情况下，点击 Set Config。信号查看器将打开，以便您评估 ECoG 信号质量。在查看器上右键单击，并将高通滤波器设置为5 Hz截止频率。（此滤波器设置仅影响信号可视化，不影响实际数据采集。）
- 检查是否存在电源线噪声干扰：在查看器中启用陷波滤波器（根据所在国家选择50 Hz或60 Hz）是否显著改善信号？若是，应尝试通过移除未使用的串扰电缆，或识别并消除其他电源干扰源来降低噪声。必要时更换参考电极和接地电极。
- 若使用眼动仪，请使用制造商提供的校准软件进行校准。BCI2000 的源模块应包含 EyetrackerLogger 扩展功能进行编译，并在启动时启用 --LogEyetracker=1 参数，以确保眼动数据能够与 ECoG 信号同步采集。
- 为避免干扰和中断，并尽量减少可能的信号干扰，请确保关闭电视、收音机和手机。
- 向患者清晰说明即将进行的实验任务。根据受试者的具体任务，使用预先准备的 PowerPoint 幻灯片展示实验内容、建议姿势等，可能有助于提高理解与配合度。
- 在 Operator 界面上点击 Start 以开始实验。每次点击 Start 或 Resume 时，系统将自动生成新文件，防止覆盖先前数据，并在文件中初始化所有参数值的副本。原始数据将自动连同事件标记一起流式写入文件，直至您点击 Suspend 或实验运行结束。
- 在整个实验过程中，持续监测患者行为及 ECoG 信号，留意可能的癫痫发作迹象，并随时准备响应医务人员的指示。
4. 示例实验流程：使用 BCI2000 进行 SIGFRIED 临床脑图谱绘制
- 准备：在会话开始之前，您需要准备好一个 model.ini 文件，其中包含 SIGFRIED 将用于构建模型的信号处理设置，以及一个 .prm 文件（或独立的 .prm 片段），其中包含 SigfriedSigProc 模块将用于实时可视化的 BCI2000 参数。两个关键参数是 ElectrodeLocations，用于指定为此患者特定电极选择的二维布局，以及 ElectrodeCondition，用于指定不同任务将在哪些条件下进行映射。在此示例中，我们使用简单的 StimulusPresentation 模块向患者传递指令，因此 Stimuli 参数也需要根据计划运行的任务进行调整。
- 基线步骤：启动 gUSBampSource、DummySignalProcessing 和 StimulusPresentationTask 模块，配置为以 1200 Hz 从所有网格和条状电极采集 ECoG 活动，并在 0.1 Hz 进行高通滤波。指导受试者放松，睁眼并保持静止。在安静环境中，以舒适光照条件记录 6 分钟的基线活动。
- 建模步骤：启动 data2model_gui 工具，使用最大熵方法从 70 至 110 Hz 范围内每隔 5 Hz 的频带中提取每 500 ms 数据的特征。点击 Build Model，使用高斯混合模型构建所选频谱特征的概率模型。
- 映射步骤：启动 gUSBampSource、SigfriedSigProcLAVA 和 StimulusPresentationTask 模块，并配置 Operator 以加载概率模型、皮层模型以及二维和三维电极坐标。在指导受试者后，开始映射过程。在此过程中，受试者将对每项任务重复执行 5 次，每次持续 10 秒。在每项任务期间，SIGFRIED 会检测与任务相关的 ECoG 活动，并在不断更新的二维和三维脑功能区地图中呈现。在二维图中，每个圆圈的大小和红色程度表示其在该特定任务中的重要性。具体而言，每个圆圈的大小与任务解释的伽马频段总信号方差的比例成正比。该统计量称为决定系数，即 r2。其取值范围为 (0,1)，在当前设置下，通常认为 0.1 的值具有显著性。可通过滑块控制圆圈相对于最大 r2 值的缩放比例（见 Figure 1C）。在三维图中，r2 值通过不同颜色而非圆圈大小来表示。
5. 代表性结果
图1展示了一名患者一次SIGFRIED定位过程中的代表性结果。该患者为一名28岁右利手女性，患有难治性局灶性癫痫，起源于左侧颞叶，并继发全面性发作。在左侧额叶、顶叶和颞叶皮层的硬膜下植入了120个皮层脑电图电极。一张侧位X光片（图A）和一张术中照片（图B）显示了电极的布局，包括一个含40个电极的额部网格、一个含68个电极的高密度颞部网格，以及三个各含4个电极的条状电极。根据记录到的癫痫发作情况，神经科医生定位了癫痫灶，并确定需手术切除左侧颞叶，同时保留语言功能区皮层。手术成功实施：术后8个月评估显示，患者无癫痫发作，且无神经功能缺损。被动定位方法SIGFRIED通过对比听觉任务期间与基线状态下的任务相关变化，识别出参与语言功能的皮层区域。结果通过两种界面呈现：二维界面（图C），可清晰显示电极布局；三维解剖校正界面（图D）。从左至右，各图分别对比了听口语与基线状态（VOICE）、听音调与基线状态（TONES），以及听口语与听音调（LANGUAGE）的情况。最后一项用于粗略描绘与接受性语言特异性相关的听觉功能。VOICE条件下的结果与该患者接受性语言功能在电刺激皮层（ECS）下受到干扰的部位高度一致（在图A中以黄色圆圈标记）。
图1. 一名患者的示例结果。图A显示侧位X光片，黄色圆圈标记了随后通过皮层电刺激定位确定的与语言接收相关的电极位置。图B为植入过程中拍摄的照片。图C以示意图形式展示二维布局下的SIGFRIED定位结果：每个圆盘的大小和红色程度表示相应电极在任务中参与程度的显著性，相对于基线水平。图D将相同的统计量映射到基于患者MRI重建的三维脑模型表面的颜色上。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
为研究目的采集颅内脑电图（ECoG）数据需要临床医生与研究人员密切合作，由一个高度跨学科的团队共同解决临床神经病学、神经外科、基础神经科学、计算机科学和电气工程等领域的问题。其回报在于，ECoG信号——特别是高频伽马频段（70–110 Hz）的振幅——具有极高的价值。这些信号不仅能在高空间和高时间分辨率下揭示认知、感觉和运动过程的神经相关性1-4，而且在ECoG脑机接口研究中也显示出该方法在神经假体应用方面的巨大潜力6,7,10。
开源的 BCI2000 软件平台8,9为所有此类研究和工程工作提供了灵活的工具包，可用于记录颅内皮层脑电图（ECoG）并实时处理数据。基于 BCI2000 的一个特定实时应用 SIGFRIED10 表明，ECoG 记录在功能定位中同样具有重要价值，其结果与采用皮层电刺激定位所获得的结果具有高度一致性。
尽管基于皮层脑电图（ECoG）的研究兴趣正在迅速增长，但该领域仍处于起步阶段。迄今为止，绝大多数ECoG研究都是...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
未声明任何利益冲突。
致谢
本研究工作得到了美国陆军研究办公室（W911NF-07-1-0415（GS）、W911NF-08-1-0216（GS））以及美国国立卫生研究院/国家生物医学成像与生物工程研究所（EB006356（GS）和 EB00856（JRW 和 GS））资助项目的支持。作者感谢 Sean Austin 提供 SigfriedSigProcLAVA 模块，并感谢 Griffin Milsap 提供相关技术协助。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
|
参考文献
- Miller, K. J. Spectral Changes in Cortical Surface Potentials during Motor Movement. Journal of Neuroscience. 27, 2424-2424 (2007).
- Chang, E. F. Categorical speech representation in human superior temporal gyrus. Nature Neuroscience. 13, 1428-1428 (2010).
- Gunduz, A. Neural correlates of visual-spatial attention in electrocorticographic signals in humans. Frontiers in Human Neuroscience. 5, (2011).
- Pei, X. Spatiotemporal dynamics of electrocorticographic high gamma activity during overt and covert word repetition. NeuroImage. 54, 2960(2010).
- Crone, N. E. High-frequency gamma oscillations and human brain mapping with electrocorticography. Progress in Brain Research. 159, 275(2006).
- Brunner, P. Rapid communication with a "P300" matrix speller using electrocorticographic signals (ECoG). Frontiers in Neuroprosthetics. 5, (2010).
- Leuthardt, E. C. A brain-computer interface using electrocorticographic signals in humans. Journal of Neural Engineering. 1, (2004).
- Schalk, G. BCI2000: A General-Purpose Brain-Computer Interface (BCI) System. IEEE Transactions in Biomedical Engineering. 51, 1034(2004).
- Schalk, G., Mellinger, J. A Practical Guide to Brain-Computer Interfacing with BCI2000. , Springer. London. (2010).
- Brunner, P. A practical procedure for real-time functional mapping of eloquent cortex using electrocorticographic signals in humans. Epilepsy and Behavior. 15, 278(2009).
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表
申请许可