调查深皮层的功​​能和皮层下结构采用立体定向脑电图:由前扣带皮层的经验教训

摘要

立体定向脑电图（SEEG）是一种手术技术在癫痫手术用于帮助本地化癫痫病灶。它也提供了一个独特的机会来调查大脑功能。这里，我们描述SEEG如何可以被用来研究在人受试者认知过程。

摘要

立体定向脑电图（SEEG）是用于本地化的癫痫患者病灶与药物难治性癫痫的技术。此过程涉及多个深部电极的慢性放置到大脑硬膜下通过栅电极放置通常无法进入的地区。 SEEG从而提供了一个独特的机会，研究脑功能。在本文中，我们展示SEEG如何被用于研究背侧前扣带皮层（DACC）的认知控制的作用。我们包括SEEG过程的描述，显示了电极的外科手术位置。我们描述了从科目同意的，而他们从事的工作行为记录局部场电位（LFP）数据所需的组件和程序。在提供的例子中，受试者中发挥认知干扰任务，我们证明信号如何从电极在背侧前扣带皮层，区域intim记录和分析ately参与决策。我们的结论与方法，使此方法可用于研究人类认知过程的进一步建议。

引言

癫痫，一个常见的神经系统疾病的特点是多反复发作随着时间的推移，占疾病¹的全 ​​球负担1％。抗癫痫药物治疗未能在20个控制发作-患者^2,3 30％。在这些药物难治的患者，癫痫手术常常表示^4,5。进行手术的决定需要定位检重点，一个先决条件，制定手术方案。最初，非侵入性的技术被用来lateralize和本地化的扣押重点。脑电图（EEG），例如，措施皮层电活动记录，从放置在头皮电极，并且常常可以提供有关的发作焦点的位置的足够信息。此外，磁共振成像（MRI）可以证明离散病变，如海马硬化，经典的病理见于药物难治性癫痫是最常见的形式，近中吨emporal叶癫痫（MTLE）。

频繁，然而，非侵入性的后处理是无法识别发作焦点。在这些情况下，侵入的脑电图（ECOG）脑电极需要定位的焦点和指导进一步手术治疗^6。脑电图是使用利用放置在与大脑直接接触的电极以测量电活性的神经生理技术。网格或表面带（硬膜）电极放置在脑，一个过程，需要一个开颅（除去骨瓣的）和大开口硬脑膜的表面上。这些表面电极可被放置在发作起始的推定面积（S）。电极的远端通过皮肤中的小开口隧道，并连接到在癫痫监视单元（EMU）的记录设备。在动车组，病人是通过连续的视频脑电图和监控录像，为临床癫痫发作。这种技术我S代表在相对大面积的皮质表面的收集​​长期（几天到几周）发作和发作间放电的记录有用。虽然这些颅内录音是非常宝贵的临床调查癫痫病灶和传播，他们也为我们提供了机会，调查认知功能和神经生理学的人类经历专门设计的行为任务。

脑电图使用硬膜下栅电极已被用于研究皮质功能，包括感觉和语言处理的各个方面。作为许多例子之一，查德等人证明了口服的肌肉的协调时间中形成的音节为口语在腹侧感觉运动皮层，鉴定为人类语音感觉皮层⁷的区域。此外，脑电图与硬膜下格栅位置也被用来研究由人类能够安泰信机制d可人群中的特定声音:所谓的"鸡尾酒会效应^"8,9。脑电图记录表明，有两种不同的神经元频带动态地跟踪语音流，这两个低频相位和高伽马振幅的波动，并且有不同的加工位点 - 1'调制'站点跟踪两个扬声器，以及一个'选择'网站跟踪出席健谈^5。

脑电图的另一个新兴应用与硬膜下电极放置为与脑计算机接口（景气）使用的潜力，其中"解码"神经元的活动，以驱动外部输出。该技术具有使患者有严重的脑或脊髓损伤与世界沟通和操纵假肢^10,11的潜力。

而硬膜下格栅的位置一直对本港超级的理解做出了贡献ficial皮层区和在识别皮质癫痫病灶是有用的，这种技术确实需要开颅及其伴随的风险，并且通常仅限于研究大脑的外表面。立体定向脑电图（SEEG）是一种技术，使深致痫灶¹²的评估。在法国和意大利的使用有着悠久的历史，它也越来越多地被用于美国^13。 SEEG涉及安置多个电极（通常为10 - 16）深的大脑通过小（几毫米）麻花钻颅骨钻孔的物质中。 SEEG超过硬膜网格放置优点包括其更少侵入性，易于在需要时检查双边半球，并产生发作传播的三维地图的能力。此外，这些电极使深致痫灶的标识，以前很难确定与表面电极。此过程还providES的机会，以调查在神经生理学和深皮质结构，如边缘系统中，mesoparietal皮质，mesotemporal皮层和眶额皮质，所有这些在以前是很难直接观察在人类中的功能。

本文演示SEEG如何利用在背前扣带皮层（DACC）调查的认知功能。所述DACC是一个广泛的研究大脑区域，但它也是理解最不好之一。考虑人类认知一个显著区域，则很可能该DACC是中央的决定中的由环境¹⁴施加连续变化的需求的上下文中动态神经处理。研究两种灵长类^15,16和人类¹⁷表明DACC集成了给定的动作的潜在风险和回报，尤其是在多个同时相互矛盾的情况下要求^18-21和米odulates在以前的行动及其结果^14,22,23的情况下这些决定。

的多源干扰任务（MSIT），一个斯特鲁普状行为的任务，经常被用来调查冲突处理在DACC。该MSIT任务，招募参与处理由DACC ^24,25调节多个域的神经元激活DACC。此任务特别通过测试决策，目标检测，新奇检测，错误检测，响应选择和刺激/响应的竞争特征激活DACC。此外，MSIT任务引入认知干扰，这是用于本研究，以DACC使用SEEG同步冲突的刺激神经反应的多个维度。

方案

确保每个病人的适用性研究性学习回顾和合适的患者必须同意参加根据当地IRB程序的研究。

1.患者选择SEEG与研究

1. 患者选择SEEG
   注意:癫痫病人必须由多学科团队组成的癫痫病，神经心理学家和神经外科医生进行临床评估。
   1. 确保患者具有难治局灶性癫痫，定义为不到的抗癫痫药物至少2充分试验反应。
   2. 确保非侵入性技术未能本地化的致痫灶。
   3. 确认的多学科团队该患者不适合于只能与硬膜下栅极调查。
   4. 确认与多学科的团队，有一个深刻的癫痫发作区的临床怀疑。
2. 患者选择的研究课题
   1. 确保主体是13到65岁之间。
   2. （如果有18岁以下的父母同意在一起）从患者获得同意或同意。
   3. 确保受试者能够参加的任务，并与测试合作。

2.准备和植入技术

1. 术前进行容积T2和对比度增强容积T1 MRI和图像传输到立体定向导航软件，根据制造商的协议。
   1. 计划基础上，MRI和扣押灶的临床怀疑深度极的目标。
      注意:提供的实施例是基于博医导航软件，因而特定于该系统。然而，任何立体定向导航软件可以用来计划深度电极轨迹和位置。
   2. 定义感兴趣的解剖区域在立体定向导航软件的"立体定向规划"功能中的目标点。
   3. 例如，使用DACC作为感兴趣目标。要定义它的轨迹，按"新轨迹"，然后按"目标"，然后单击DACC。通过检查DACC在所有3个平面（轴向，冠状和矢状），并点击DACC在每个平面上的中间居中在DACC的中间目标。
      1. 限定在立体定向导航软件的"立体定向规划"函数内头皮上的入口点。
   4. 例如，选择上，似乎是最短路径DACC头皮的一个点。按"进入"，并选择在头皮上的点，以使该入口点。
   5. 单击并拖动"目标"和"项"点修改定义轨迹，以避免皮层和皮层下血管结构以及任何潜在的雄辩CErebral地区。
   6. 重复所有计划中深部电极目标（ 图1）。
   7. 承认在手术日上午病人，带来了手术室，并在全身麻醉下^26,27引起。
   8. 附加Cosman - 罗伯茨井（CRW）立体定向井架患者的头颅骨螺钉。
   9. 获得容积CT，在地方井架。
   10. 通过"加载和导入"功能，装载容积CT和MRI影像到立体定向导航软件。
   11. 点击立体定向导航软件中的"本土化"的功能。
   12. 本地化CRW井架通过点击全部由立体定向导航软件作为包含井架，然后按下"分配航向"按钮定义的图像。
   13. 点击立体定向导航软件中的"AC / PC本土化"功能。
   14. IDentify基于其解剖学位置的前部和后部连合。
   15. 经由立体定向导航软件中的"设置AC / PC系统"功能指定的前部和后部连合。
   16. 点击立体定向导航软件中的"图像融合"功能。
   17. 合并的CT图像与MRI图像中的立体定向导航软件^28,29。点击配对容积CT和MRI影像的"融合"选项卡下面，然后点击"自动融合"。
       注:这会将立体定位框架坐标中的MRI检查。
   18. 点击立体定向导航软件中的"立体定向计划"功能，并确认从步骤2.1.2的计划轨迹 - 2.1.6。
   19. 选择容积CT的"立体定向功能"选项卡下的立体参考。
   20. 点击T中的"打印"图标图标他垂直列打印的最终立体坐标为每个深度电极轨迹^30,31。
2. 植入技术
   1. 返回病人到手术室以下的CT扫描。
   2. 准备和使用常规消毒方法^32,33悬垂外科领域。
   3. 确保一荧光屏是在手术室，并沿与手术领域的其余披。
   4. 从步骤2.1.20使用打印立体定向坐标，用于在井架第一深度电极设置的坐标。
      注意:立体定向坐标在3个平面给出:横向（X），垂直（y）和前 - 后（z）表示。例如，对于在右DACC靶印刷的坐标48.2毫米的AP，6.6毫米横向和2.2毫米垂直。该井架然后设置这些坐标相应。
   5. 延长guideblock向下到皮肤和上一次一标记毛刺孔的位置卡尔普用标记笔。固定在基础上的立体定向的坐标，因此代替guideblock，无标所必需的标记的切口。
   6. 注入2 - 3毫升1 0.5％布比卡因的:100,000稀释肾上腺素到明显切口。
   7. 使切口在用手术刀下到颅骨插入标记切口头皮。
   8. 烧灼使用单极烧灼定向带有涂膜闭孔真皮和深部组织，以尽量减少船只在皮肤或皮下组织任何出血。
   9. 利用在切口的中部一个2.1毫米捻钻头钻一个钻孔。
   10. 打开与刚性闭孔探头硬脑膜。拧锚栓入颅。放置预先测定探针的探针通过锚定螺栓，使该电极的轨道。
   11. 小心推进电极到预先计算的深度。拧紧地脚螺栓帽向下以固定电极。
   12. 所有的重复此过程在深部电极。
   13. 放置透视下方和周围的AP和侧向平面上的患者的头部，以获得荧光图像，以确保所有的电极的适当放置轨迹。
   14. 电极连接到临床脑电图系统来验证适当阻抗。
   15. 唤醒麻醉和转运病人恢复室，并在其后的动车组。
   16. 在动车组，通过监控闭路监控临床发作和脑电图，通过对癫痫发作的脑电图证据的病人。

3.行为任务和数据采集

1. 行为任务
   1. 电脑打开软件的行为完全投入运行行为的软件。
      注:该功能是基于MonkeyLogic，一个MATLAB工具箱专为演示和执行时间精确心理任务^34,35的说明，因而SPecific到行为的软件平台。这个程序是运行在matlab版2010A，并要求"数据采集工具箱"。不过，任何行为的软件平台，能够呈现视觉刺激和电生理记录的数据可以使用。
   2. 集设计，运行MSIT任务包括频率相同的所有四个试验类型条件的文件。
      注意:MSIT任务包括呈现所述受试者用三个数字为0至3，其中两个数字中，"干扰物"，是相同的，一个号码的提示时，"目标"，是不同的。
      1. 指示受试者通过按下一个按钮框的相应按钮，以确定"目标"。如果"1"是目标，左按钮是正确的选择。如果"2"，中间按钮，并且如果"3"，右按钮。 '0'不对应于一个可能的按钮（ 图2）。
   3. 按"设置条件"按钮，并选择了前一步设置所需条件的文件。
      注意:有两种类型，在决策过程中诱发的认知冲突干扰。侧翼干扰试验时发生的干扰物是可能的（1，2，或3，而不是0）按钮的选择（ 例如 ，121），而当目标数的空间位置不同于响应位置发生空间干涉试验（ 例如，200 ，其中中间的按钮是正确的响应，尽管目标数是在左位置）。有基于这两个干扰类型的存在或不存在四审类型。
   4. 在显示框中点击"测试"测试行为显示屏。显示监视器应当显示测试视觉刺激2 - 3秒。
   5. 受试者接口装置（按钮盒）连接到所述数据的模拟输入采集板在电脑上专门记录通过三个标准BNC电缆的电数据。
   6. 按钮盒连接到一个电源。
   7. 通过带状电缆分裂连接数据采集板512通道的神经信号处理器成9丝带。丝带的8连接到端口0 -在数据采集板的数字I / O部分7，而9 ^日色带连接到端口0上的数据采集板的数字PFI部分。
      注意:色带发送的8位数字标记（端口0 - 7，数字I / O）和一个选通脉冲（端口0，数字PFI），到神经信号处理器。
   8. 设置在神经信号处理器软件所需的采样率。
      1. 在本实施例中，在线设置所需的采样速率，以每秒，别名和下样品50000样本以每秒1000采样。调整采样速率以适应任务的具体目标。亚毫秒级精确计时需要非常高的采样速率。
   9. 放大器连接到通过光纤电缆的神经信号处理器。
   10. 神经信号处理器连接到数据流光并通过光纤电缆的光学PCI卡在神经数据采集计算机。
2. 数据采集
   1. 使用研究钻机用于容纳用于处理和滤波数字化512信道的神经信号处理器EMU电，从深部电极预放大的电信号。
      注意:虽然有512个信道进行处理，但在实践中，有从未超过15 - 20电极放置用于临床目的。因此，我们建议从尽可能多的电极记录的数据的大小和空间分辨率可行的从来都不是一个问题。
   2. 运送钻机到患者的房间，放置在患者的前行为监视器上的便携式台和连接到所述行为控制计算机运行使用标准DVI电缆的行为的软件。
   3. 放置后面或向患者的床，以便在侧的记录钻机保持尽可能自然。
   4. 研究系统连接到分线盒用于分隔临床系统的研究记录。
   5. 利用神经信号处理软件^34,35控制记录参数。
      注:该系统能够通过行为事件^34,35亚毫秒级的控制。神经和行为数据之间的同步可以完成与无论是模拟脉冲编码任务事件或数字标记。这两个信号可以从在数据采集板的数字或模拟输出到模拟或神经信号处理器上的数字输入发送。
   6. 递给病人主题界面设备（按钮盒），并给予任务的指令。
   7. 单击"运行"运行任务。
   8. 允许患者完成每个150试验2个街区。

4.数据分析

1. 打开软件，允许电数据的可视化。
   注意:下面提供的指令是特定于matlab版2010A但是，允许可视化和操控电数据，可以使用任何软件。
2. 包含从试验会议的原始电数据开放.edf文件。
3. 从会话可视化SEEG信号，以确保没有明显的神器，如癫痫样放电或运动伪影（ 图3A）。
4. 覆盖从行为任务的定时脉冲到原始LFP迹（ 图3B）来说明脉冲如何类似物可描绘试验结构。
5. 使用定时脉冲，对准SEEG跟踪以提示呈现为每个试验（ 图3C）。
6. 删除异常值（> 4个标准差）和工件的痕迹（ 图3D）。
7. 保存在一个矩阵进一步分析所有排列试验（20中所示的试验堆放在图3E）。
8. 各试验的平均LFP活性降低噪声，伪影，或脑电图没有相关的呈现刺激活性的作用，并增加利息（ 图3F）的信号。
9. 创建使用多锥形光谱分析^36-38原料，试验平均频谱。
   注意:时频分析可以为了研究跨一或多个试验的特定频谱 - 时间动态使用。此方法使得能够神经振荡在不同的频率随时间变化的调查。
10. 垫从每个试验用零到2的下一个最大的电力，以避免边缘效应的信号。
11. 通过创建规范的信号的持续时间施加800毫秒的滑动窗口以5领先锥度和9每10ms一个时间带宽积trogram（ 图4A）。
12. 乘以10的频谱的对数和归一，以显示较高频率的信息。
    注意:谱图可以由理论频率分布进行归一化（ 即，上升到负第二功率每个频率值）（ 图4B），一些基线活性（ 图4C）的平均频谱，或由平均分割并减去在每个频带中（ 图4D）的值的标准偏差。这个过程允许在raw和规格化形式随时间对特定的任务改变特定频带的检查。例如，高伽玛乐队活化（70 - 150赫兹），其示于图3E，被认为是反映围绕电极^39,40的局部的神经元群的局部兴奋活性。

结果

一旦患者被选择用于SEEG电极放置，他/她经历体积的T2和T1对比增强MRI。 SEEG电极轨迹然后使用体积MRI序列的立体定向导航（ 图1）的计划。该技术允许对从结构内皮层深局部场电位如背侧前扣带皮层（浅橙色的轨迹， 图1），这将是不可能的，典型的表面电极放置的收集。手术后的动车，病人进行多源干扰任务（ 图2），旨在激活DACC神经元。试验的足够数量之后，从在所述DACC SEEG电极的局部场电位的数据进行预处理，以便对齐LFP数据提示呈现为后续有意义的分析（ 图3）。此外，一旦对齐，所述LFP数据可被平均以检查茶NGES试类型（ 图3F）之间的平均电响应。随后，多锥度谱图由调查随时间的变化的频带（ 图4）。作为头皮脑电图的研究已经在见于DACC活性牵连不同频带，时间 - 频率分析是有行为链接在DACC电生理变化的重要方法。

讨论

本文SEEG使用期间在人类决策的任务来调查DACC内的局部神经元群体的活性。以前的工作已经利用术microelectode录音¹⁴考察单个神经元的活性，在DACC并证明DACC活性通过先前活动调制。微电极研究使单个神经元的扣球活动的调查。 SEEG衡量个LFP，横跨一个人口众多的神经元都与累加突触潜力。因此SEEG允许有机会同时从几个大脑区域的人口进行调查神经元的活动。

当使用的临床技术，如SEEG探讨科学问题，它首先保证了手术和研究计划都符合是至关重要的。临床要解决的问题涉及确定患者的发作起始区和无线永远都会优先考虑。因为手术计划是由临床需要决定的，它并不总是能够调查同一研究问题每一种情况下。因此，我们已开发了一系列设计为单独的回答可适应于患者的手术计划取决于区域被询问有电极科学问题的任务。

在这项研究中，SEEG LFP数据被利用来探讨认知控制在背侧前扣带皮层目标导向的行为，深皮质结构在内侧额叶前区，是难以在人类中进行调查。 LFP数据采集可以进行许多不同的系统。要考虑的一个关键方面是采样速率，因为这...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
触发 I/O 电缆	Natus Medical Inc.	5029	PS2 到 BNC 电缆
用于模拟脉冲			可以从大多数电子商店订购。
带浪涌保护和备用电池的电源板	Tripp Lite	SMART500RT1U UPC	电源和备用
National Instruments 多功能数据采集盒 NI PCIe-6382 DAQ 卡	National Instruments	PCIe-6382 w/ BNC 2090A	PCI 卡，用于行为控制界面
定制的按钮盒 - 人机接口设备			可以使用任何带有三个按钮的人机接口设备。或者，可以使用 3 个键盘按钮。
Xltek 128 通道临床颅内脑电图监测系统 EMU128FS	Natus Medical Inc.	002047c	临床记录系统
用于视觉刺激演示的受试者监护仪和相关电缆	Dell	U2212HMc	大多数监护仪在这里就足够了。
运行安装了 DAQ 卡的行为软件的个人计算机	Superlogics	SL-2U-PD-Q87SLQ-BA	用于记录神经数据的计算机
电源线			通常随显示器一起提供，可以在任何电子商店购买。
在 Matlab 2010A			从 MonkeyLogic 网站免费
MATLAB 2010a 软件，带数据采集工具箱	Mathworks		Matlab 软件
sEEG 电极 AD TECH 或 PMT	AD TECH	2102-##-101	铂金尖端，直径（0.89 毫米、1 毫米、1.1 毫米），非绝缘长度 2.3 毫米;目录号中的 ## 表示电极上的触点数量（08、10、12 或 16）
Cabrio 连接器	PMT	2125-##-01	目录号中的 ## 表示电极上的触点数量（08、10、12 或 16）
Tucker Davis Technologies 放大器	Tucker Davs Technologies	PZ5	神经数据前置放大器
Tucker Davis Technologies 处理器	Tucker Davs Technologies	RZ2	用于神经数据的神经信号处理器
TuckerDavis Technologies 数据流器	Tucker Davs Technologies	RS4	数据流器和存储
用于连接 TDT 系统的光纤电缆	Tucker Davs Technologies	F05	用于连接 Tucker Davis Technologies 产品的光纤电缆。
用于数字标记			可以从 OST Electronics 商店订购。
运行 TDT RPvdsEx 和 OpenEx 软件的个人计算机	Superlogics	SL-2U-PD-Q87SLQ-BA	用于行为控制的计算机
Middle Atlantics 带脚轮的服务器机柜	Middle Atlantic Products	PTRK-21	服务器箱，用于存放所有研究项目
Tucker Davis Technologies 分拆箱，用于拆分临床和研究报告	Tucker Davs Technologies		这个分流盒是一个半定制的设备。研究人员应咨询主治神经科医生，以不干扰临床护理的方式拆分研究和临床记录。
研究人员显示器与必要的电缆	Dell	U2212HMc	大多数显示器在这里就足够了。
按钮盒电源 - 5 伏特，2 安培			可以在任何电子商店购买。
TDT 光接口 PCI 卡	Tucker Davs Technologies	P05