对植入颅内电极的受试者进行行为任务测试

摘要

植入颅内电极的患者为在患者执行行为任务时记录大脑多个区域的神经生理数据提供了独特的机会。本文介绍了一种可在其他具备此类患者资源的机构中重复实施的、针对植入电极患者的记录方法。

摘要

接受立体定向脑电图（SEEG）电极、硬膜下网格电极或深部电极植入的患者，其大脑不同区域会植入大量电极，以定位癫痫发作起源区域和功能重要区。植入电极后，患者需住院直至确定脑内病变区域并可能接受切除手术。在此期间，这些患者为科研群体提供了独特的机会，因为可开展多种行为范式，以揭示指导行为的神经相关机制。本文介绍一种在受试者执行旨在评估决策与奖赏编码行为任务时，记录颅内植入电极脑电活动的方法。行为任务期间，所有颅内电极的电生理数据均被同步记录，从而能够在与行为相关的时间尺度上，考察参与单一功能的多个脑区活动。此外，与动物研究不同，人类患者能够快速学习多种行为任务，使得在同一受试者中完成多个任务或设置对照成为可能。尽管该技术在理解人类脑功能方面具有诸多优势，但也存在一些方法学上的局限性，本文对此进行了讨论，包括环境因素、镇痛药物效应、时间限制以及来自病变组织的记录等问题。任何开展颅内评估的机构均可轻松实施该方法，从而提供在行为过程中直接研究人类脑功能的机会。

引言

癫痫是最常见的脑部疾病之一，其特征是由于神经元群过度放电而导致的慢性反复发作。全球约有5000万人患有癫痫，其中约40%的患者为难治性癫痫，无法通过药物治疗完全控制发作¹。如果能够定位并手术切除或断开导致癫痫发作的脑区（即致痫区，EZ），则手术可能使患者实现无发作状态。为了确定致痫区的解剖位置及其与可能存在的皮层和皮层下功能重要区域的邻近关系，目前已有多种非侵入性工具可供使用：发作期临床表现分析、头皮视频脑电图记录（发作期与发作间期记录）、神经心理学评估、脑磁图（MEG）以及磁共振成像（MRI）²。当非侵入性检查数据不足以精确定位假设的致痫区，或怀疑功能重要皮层及皮层下区域早期受累，或存在多灶性发作可能时，可能需要进行长期侵入性监测^3,4。

用于确定癫痫灶（EZ）位置和边界的慢性侵入性监测方法可能包括置于大脑表面的硬膜下网格电极和条状电极，以及立体定向脑电图（SEEG），后者以三维方式在脑内植入多个深部电极。硬膜下颅内记录最早于1939年被报道，当时Penfield及其同事在一名患有陈旧性左侧颞顶骨骨折的患者中使用了硬膜外单触点电极，该患者的脑室造影显示弥漫性脑萎缩⁵。随后，在20世纪80年代，随着多项研究发表证实了其安全性和有效性，硬膜下网格电极阵列的使用逐渐普及⁶。SEEG方法由Jean Tailarach和Jean Bancaud于20世纪50年代在法国开发并推....

方案

所有操作均根据提交至克利夫兰诊所基金会机构审查委员会（IRB）并获批准的方案进行。在开展所有研究活动之前，均已对每位患者实施知情同意程序。本示例中选择了一名符合研究标准且因癫痫发作已植入立体定向脑电图（SEEG）电极的受试者。研究项目已与该受试者充分沟通，其已同意参与本研究。

1. 患者入组

1. 对难治性癫痫患者进行评估，以考虑是否适合植入颅内电极。如果患者适合接受侵入性手术，则需结合患者的 MRI、PET 和 MEG 影像以及癫痫发作的病理特征进行分析，以优化电极的放置位置。所有评估均由临床团队完成，且不为研究目的做出任何决策。
2. 在完成植入评估后，根据批准的 IRB 方案及纳入/排除标准，确定符合研究资格的患者。
   注意：将具有先兆症状的患者纳入纳入标准最符合患者利益。具有先兆的患者能够提前通知研究人员即将发生癫痫发作，从而为研究人员和患者争取足够时间采取必要预防措施（例如按下癫痫报警按钮通知临床工作人员，并将所有设备移开）。然而，若招募的受试者无先兆症状，则必须确保患者相关输入设备可迅速从患者区域移除，并确保临床工作人员了解研究设备及相应操作流程。
3. 在开展任何研究活动之前，须依照 IRB 要求获得患者的知情同意。在知情同意过程中，应向患者说明研究内容，强调参与完全出于自愿，且不会以任何方式影响其临床治疗。大多数情况下，患者不会直接从研究中获益，其参与意愿属于利他性质。
4. 始终尊重患者....

结果

在这些结果中，我们展示了在一名受试者执行“战争任务”时，采集自边缘系统的颅内脑电图（SEEG）数据的分析结果。我们可以证明，“战争任务”的不同阶段在边缘系统中引发了显著的伽马频段（40 - 150 Hz）活动调制（图1）。如图所示，在视觉皮层中，屏幕上呈现物体后会引发一种潜伏期较短（约200毫秒）、频带较宽的反应，且该反应不受任务条件的影响。此外，在奖励阶段，反应的持续时间似乎存在差异，并且未获得奖励的试验所诱发的反应功率与获得奖励的试验相比，可能存在差异。相比之下，下额叶回仅在获得奖励的试验中出现调制，且该调制的潜伏期较长（约500毫秒），提示该区域正处于处理奖励信息的阶段。这种与奖励相关的反应特性与该皮层区域的功能一致，因为下额叶回被认为参与决策制定和奖励评估过程²⁸。

在本项分析中，我们选择考察电生理数据在伽马频段范围内的频率成分，因为该频段的神经活动被认为代表了认知加工过程²⁹。然而，针对局部场电位数据与行为任务之间的关系，还可采用多种不同的分析技术，例如其他频段的频率成分、诱发电活动或基于神经网.......

讨论

本文介绍了一种在人类受试者执行行为任务时进行颅内电生理研究的方法。该方法及其简单的变体对于研究人类的运动与认知具有重要意义。尽管任何技术 inherently 都存在优缺点，但颅内电极记录相较于其他电生理和成像技术具有一些优势。其中两个主要优势在于能够采集高质量的数据，并能更有效地控制和设计行为任务。

颅内电极记录在行为任务期间测量脑活动方面相较于其他方法具有多项优势。迄今为止，大多数研究采用的是功能性磁共振成像（fMRI）和正电子发射断层扫描（PET）等成像技术，这些技术具有较高的空间覆盖范围优势，但时间分辨率有限（约为1 - 1.5秒）。  因此，这些研究仅能粗略估计相对于基线状态的脑功能变化，无法对与行为特定组分相关的动态信息处理过程提供真实可靠的评估。  而脑磁图（MEG）研究虽然具有更优的时间分辨率  (<1毫秒)，但其空间覆盖范围仅限于大脑皮层区域，且可能受到脑深部产生的信号干扰。单神经元和多神经元单位研究在揭示脑功能方面已取得成功，因其具备高时间分辨率。然而，传统单神经元和多神经元单位研究的局限性在于需将电极直接植入目标脑区，导致.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
InMotion ARM	Interactive Motion Technologies	InMotion Arm	http://interactive-motion.com/inmotion-arm-the-new-standard-of-care/ 实验室使用的设备，也可使用其他设备进行数据采集
MATLAB	Mathworks Inc	MATLAB	http://www.mathworks.com/ 需使用 r2007b 或更高版本以运行 Monkeylogic
Data Acquisition Toolbox	Mathworks Inc	Data Acquisition Toolbox	http://www.mathworks.com/products/daq/ 运行 Monkeylogic 所必需
Image Processing Toolbox	Mathworks Inc	Image Processing Toolbox	http://www.mathworks.com/products/image/ 运行 Monkeylogic 所必需
Monkeylogic	Wael Asaad 和 David Freedman	Monkeylogic	http://www.brown.edu/Research/monkeylogic/ 可免费下载，需安装 MATLAB 才能运行
Chronux	Medametrics, LLC	数据处理工具箱	http://www.chronux.org/
Brainstorm		MEG/EEG 分析软件	http://neuroimage.usc.edu/brainstorm/
笔记本电脑	Dell	Latitude E5530	http://www.dell.com/us/business/p/latitude-e5530/pd?ST=dell%20latitude%20e5530&dgc=ST&cid=263756&lid=4781504&acd=12309152537461010
NI 卡	National Instruments	NI USB-6008	http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/201986 12 位，10 kS/秒，低成本多功能数据采集设备