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方法文章

对植入颅内电极的受试者进行行为任务测试

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DOI：

10.3791/51947

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2014年10月2日

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Neurosciences, Cleveland Clinic Foundation, 2Epilepsy Center, Cleveland Clinic Foundation, 3Department of Neurosciences and Center for Neurological Restoration, Cleveland Clinic Foundation, 4Department of Biomedical Engineering, Johns Hopkins University

本文内容

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广，至今主要在法国和意大利被作为难治性局灶性癫痫侵入性定位的首选方法7-9。

立体定向脑电图（SEEG）的原理基于解剖-电-临床相关性，其核心在于癫痫放电在大脑内的三维时空组织特性，并与发作的临床表现相对应。电极植入策略具有个体化特点，电极的放置基于术前假设，该假设需综合考虑癫痫样活动的主要组织模式以及参与发作传播的假想癫痫网络。根据多项欧洲及近期北美研究报告，SEEG技术能够实现对深部皮层和皮层下结构、多个非连续脑叶以及双侧大脑区域的精确记录，同时避免实施大范围开颅手术10-15。术后需进行影像学检查，以确定植入电极的精确解剖位置。随后进入监测阶段，患者需住院1至4周，以记录来自植入电极的发作间期和发作期电活动。这一监测期为利用事件相关SEEG分析研究脑功能提供了良好机会，因为该过程不增加额外风险，且患者通常将此类研究视为对常规单调监测期的一种有益调剂。通过颅内电极获得的记录不仅对癫痫患者的评估与治疗具有重要价值，同时也提供了难得的机会，可用于研究人类大脑在行为范式中的活动情况。

已有若干研究人员意识到利用癫痫患者侵入性记录开展研究的机会。Hill et al. 报道了从患者获取皮层脑电图（ECoG）信号以进行功能皮层定位的记录方法16。ECoG记录还揭示了运动与语言之间的耦合关系17。植入深部电极的患者通过执行导航任务，使研究人员得以研究与记忆、学习18及运动19相关的脑振荡。深部电极记录还被用于研究一些常规手段难以达到时间分辨率的范式，例如海马诱发活动20、默认模式网络中的神经活动21以及情绪加工的时间进程22。Hudry 等人研究了颞叶癫痫患者，这些患者因短期嗅觉刺激匹配任务而在杏仁核内植入了立体定向脑电图（SEEG）电极23。另一研究团队则在癫痫患者植入SEEG电极后，于其健康脑区研究了简单的肢体运动，如手部屈曲或单侧手、足运动24,25。

上述研究仅是相关文献中多样化内容的一小部分。通过结合行为任务与颅内记录，我们有望深入学习和理解人类大脑的工作机制。尽管存在其他实现该目标的方法，但颅内记录具有多项优势，包括高时间分辨率和高空间分辨率，以及对脑深部结构的可及性。作者旨在描述在患者接受行为任务期间，利用颅内电极进行记录的一般方法学。然而，在接受临床治疗的患者中成功开展临床研究仍存在多种阻碍因素和障碍。本研究的局限性、混杂效应及其科学意义也将被明确并加以探讨。

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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. 始终尊重患者的权益与隐私。应提醒患者，其个人信息将被严格匿名化和保密处理，且可在无任何后果的情况下随时退出研究。
  5. 若患者理解并同意参与研究，应由其签署并注明知情同意书的日期。将一份副本交予患者留存；若其有任何疑问或顾虑，应鼓励其联系主要研究者（PI）。

2. 行为系统设置

  1. 在将设备带入病房之前，应确保患者病房内有足够空间，并可接入必要的电源插座（2）。
  2. 检查所有设备和线路是否已准备就绪，以加快系统搭建。行为学系统包括一个经美国食品药品监督管理局（FDA）批准的机械臂（允许受试者在任务期间控制光标）、一台用于控制行为学程序的笔记本电脑、一个用于呈现任务刺激的显示器，以及一个用于存储电生理和行为学数据的数据采集系统。
    注意：应根据具体研究需求进行必要修改。例如，可使用按钮盒作为患者交互界面，而非机械臂。
  3. 如果患者当前的体位不适合完成操作，请协助患者移至带扶手的躺椅（或床）上，以防其发生抽搐。
    注意：最好与监测小组的所有成员讨论研究设计、设备等事项，以便告知他们正在进行的工作、团队将如何与患者互动，以及可能出现的任何问题。
  4. 当患者准备就绪后，将行为系统推入房间，并启动行为系统和机械臂。
  5. 将行为记录计算机的数字事件标记输出连接至电生理记录系统的直流（DC）通道，以实现颅内脑电（SEEG）信号与行为事件标记的时间同步。
    注意：本中心设有专门用于科研的电生理采集系统，与临床采集系统相互独立，互不干扰。然而，在与相关人员协作的情况下，也可使用临床采集系统。应尽一切努力避免对临床采集造成干扰。
  6. 校准机械臂并将其定位，使患者的活动范围舒适。若使用其他接口设备，需确保设备运行正常，并将其放置在受试者使用起来舒适的位置。
  7. 使用机械臂时，应确保研究人员在整个行为任务过程中均可方便触及急停按钮。若患者发生癫痫发作，应立即按下急停按钮，并将设备迅速移离患者，以防止其受伤。此外，我们不使用机器人系统附带的维可牢（velcro）绑带，以便在发生癫痫发作时能够快速将设备从患者身上移除。
    注意：在此示例中，行为实验装置的并行端口通过并行端口电缆连接至采集系统的数字输入端口。其他模拟信号（如 x & 同时记录机械臂的 y 轴位置。

3. 行为任务

  1. 在完成设备安装和界面装置校准后，向患者解释任务内容。
  2. 采用类似于儿童纸牌游戏“战争”的行为任务。要求患者判断自己的牌是否大于计算机的牌，并据此下注。下注的选择基于患者对自己手中牌相对大小的感知。为简化后续分析，仅使用同一花色的牌，并将牌组限制为数字2、4、6、8和10的牌。
  3. 在屏幕上显示一个持续350毫秒的注视提示。确保患者将光标保持在注视标记上以启动任务。
  4. 呈现刺激1,000毫秒。让患者看到自己的牌，旁边是面朝下的计算机的牌。
  5. 在牌消失后，显示一个“开始”提示（<5,000毫秒），提供两个选项，要求患者根据自己的牌选择下注5美元或20美元。要求患者通过机械臂移动光标至所选下注选项来完成下注。每次试验中随机化下注选项的位置，以避免位置带来的偏差。
  6. 在选定下注后，出现250至500毫秒的延迟（空白屏幕），随后揭示计算机的牌（持续1,000至1,250毫秒）。观察结果（持续1,000毫秒），判断本次试验为获胜、失败或平局，以及赢得或输掉的金额。
  7. 允许患者进行练习，直到他们对自己的表现有信心且无任何疑问为止。

4. 数据采集

  1. 当患者准备就绪后开始记录数据，并确认研究（或临床）采集系统的设置已正确选择。
  2. 关闭房间灯光和电视，以在记录期间将背景噪声降至最低。此外，请患者避免踩脚、说话或抖动腿部等行为。
  3. 开始任务并记录患者执行任务的过程。要求受试者持续执行任务 30 分钟。机器人手臂系统的采样率为 1 KHz，立体脑电图（SEEG）记录系统的采样率为 2 KHz。
    注意：此持续时间可能因其他实验范式而异。

5. 数据分析

  1. 首先，对记录的颅内脑电图（SEEG）数据进行去标识化处理，以确保患者信息的保密性，并使其数据以匿名方式提交。
  2. 从术后CT和术前MRI中获取电极位置的坐标。
  3. 将神经生理记录与行为任务中感兴趣的数字时间戳对齐。
  4. 应用信号分析方法分析与事件相关的脑活动调制。
    注意：在本研究中，使用Chronux多锥体工具箱26,27计算与事件相关的SEEG信号的功率谱密度（PSD）。每次试验的数据均以相关事件（时间零点）为基准进行对齐，并将计算得到的PSD在每个频率区间内相对于基线PSD进行归一化处理。

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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...

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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...

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披露

作者声明无利益冲突披露。

致谢

本工作由授予 S.V.S. 和 J.T.G. 的 EFRI-MC3 项目 #1137237 提供支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
InMotion ARMInteractive Motion TechnologiesInMotion Armhttp://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
MATLABMathworks IncMATLABhttp://www.mathworks.com/
需使用 r2007b 或更高版本以运行 Monkeylogic
Data Acquisition ToolboxMathworks IncData Acquisition Toolboxhttp://www.mathworks.com/products/daq/
运行 Monkeylogic 所必需
Image Processing ToolboxMathworks IncImage Processing Toolboxhttp://www.mathworks.com/products/image/
运行 Monkeylogic 所必需
MonkeylogicWael Asaad 和 David FreedmanMonkeylogichttp://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/
BrainstormMEG/EEG 分析软件http://neuroimage.usc.edu/brainstorm/
笔记本电脑DellLatitude E5530http://www.dell.com/us/business/p/latitude-e5530/pd?ST=dell%20latitude%20e5530&dgc=ST&cid=263756&lid=4781504&acd=12309152537461010
NI 卡National InstrumentsNI USB-6008http://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

参考文献

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