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利用立体定向脑电图研究大脑深部皮层及皮层下结构的功能：来自前扣带皮层的启示

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DOI：

10.3791/52773

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2015年4月15日

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1Department of Neurosurgery, Columbia University Medical Center, New York Presbyterian Hospital, 2Department of Neurology, Columbia University Medical Center, New York Presbyterian Hospital, 3Columbia University Medical Center, New York Presbyterian Hospital, 4School of Medicine, King's College London

本文内容

摘要

立体定向脑电图（SEEG）是癫痫外科手术中用于定位癫痫发作起源灶的一种手术技术，同时也为研究脑功能提供了独特的机会。本文阐述了如何利用SEEG在人类受试者中研究认知过程。

摘要

立体定向脑电图（Stereotactic Electroencephalography, SEEG）是一种用于定位药物难治性癫痫患者癫痫灶的技术。该方法通过将多个深部电极长期植入脑内，而这些区域通常无法通过硬膜下栅状电极放置来覆盖。因此，SEEG为研究脑功能提供了独特的机会。本文中，我们展示了如何利用SEEG研究背侧前扣带回皮层（dorsal anterior cingulate cortex, dACC）在认知控制中的作用。我们详细描述了SEEG的操作流程，包括电极的外科植入过程。同时，我们介绍了在受试者执行行为任务时，记录其局部场电位（local field potential, LFP）数据所需的设备组成与操作步骤。在所提供的示例中，受试者完成一项认知干扰任务，我们展示了如何从参与决策过程的关键脑区——背侧前扣带回皮层的电极记录并分析神经信号。最后，我们进一步提出了该方法在研究人类认知过程中的其他潜在应用方向。

引言

癫痫是一种常见的神经系统疾病，其特征是随时间反复多次发作，占全球疾病负担的1%1。约20%至30%的患者使用抗癫痫药物无法控制发作2,3。对于这些药物难治性患者，通常需要考虑癫痫手术治疗4,5。是否进行手术的决策依赖于准确定位致痫灶，这是制定手术方案的前提。最初通常采用无创技术来确定致痫灶的侧化和定位。例如，脑电图（EEG）通过记录放置在头皮上的电极所检测到的皮层电活动，通常可提供有关致痫灶位置的充分信息。此外，磁共振成像（MRI）能够显示明确的病灶，例如海马硬化，这是最常见的药物难治性癫痫类型——内侧颞叶癫痫（MTLE）的典型病理表现。

然而，非侵入性检查常常无法确定癫痫发作灶。在这种情况下，需要采用颅内电极进行有创的皮层电图（ECoG）检查，以精确定位病灶并指导进一步的手术治疗6。ECoG 是一种神经生理学技术，通过将电极直接放置在脑组织表面来记录脑电活动。可在脑表面放置网格状或条带状的表面（硬膜下）电极，该过程需要开颅手术（移除骨瓣）并广泛切开硬脑膜。这些表面电极可被置于推测的癫痫发作起始区域。电极的远端经皮肤小切口引出，并连接至癫痫监测单元（EMU）中的记录设备。在 EMU 中，通过持续的视频监控和 ECoG 记录来观察患者的临床发作情况。该技术可用于长时间（数天至数周）记录大脑皮层较大区域上的发作期及发作间期的电活动。尽管这些颅内记录在临床上对于研究癫痫灶及其传播具有重要价值，同....

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方案

确保对每位患者进行评估，以确认其是否适合参与该研究项目，并根据当地机构审查委员会（IRB）的程序，对符合条件的患者获取参与研究的知情同意。

1. SEEG 与研究的患者选择

  1. 立体脑电图（SEEG）的患者选择
    注：癫痫患者必须由包括癫痫专家、神经心理学家和神经外科医生在内的多学科团队进行临床评估。
    1. 确保患者患有药物难治性局灶性癫痫，定义为至少经过两种充分疗程的抗癫痫药物治疗后仍无反应。
    2. 确保无创技术未能准确定位致痫灶。
    3. 经多学科团队确认，患者不适合仅使用硬膜下栅格电极进行检查。
    4. 经多学科团队确认，临床怀疑存在深部癫痫起始区。
  2. 研究任务的患者选择
    1. 确保受试者年龄在13至65岁之间。
    2. 获得患者本人的知情同意或同意声明（若年龄低于18岁，还需获得其父母或监护人的同意）。
    3. 确保受试者能够集中注意力完成任务，并配合测试过程。

2. 准备与植入技术

  1. 术前进行容积T2加权成像及增强容积T1加权MRI检查，并根据制造商的操作规程将图像传输至立体定向导航软件中。
    1. 根据MRI影像及临床对癫痫灶的怀疑区域规划深部电极....

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结果

一旦患者被选定进行立体定向脑电图（SEEG）电极植入，将接受容积T2加权和T1增强MRI扫描。随后，利用容积MRI序列的立体定向导航规划SEEG电极的植入路径（图1）。该技术可记录大脑皮层深部结构（如背侧前扣带皮层，浅橙色路径，图1）的局部场电位，而这些区域无法通过常规的头皮电极记录获得。术后在癫痫监测单元（EMU）中，患者执行多源干扰任务（图2），以激活背侧前扣带皮层（dACC）神经元。在完成足够数量的试验后，对来自dACC区域SEEG电极的局部场电位数据进行预处理，以将LFP数据与任务提示呈现时间对齐，便于后续有意义的分析（图3）。此外，在时间对齐后，可对LFP数据进行平均，以比较不同类型试验间的平均电生理反应差异（图3F）。随后，采用多锥谱分析方法生成时频谱图，以研究不同频段随时间的变化情况（图4）。由于头皮脑电图（EEG）研究已表明dACC活动涉及多个不同频段，因此时频分析是关联dACC电生理变化与行为表现的重要方法。

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讨论

本文采用立体定向脑电图（SEEG）研究人类在执行决策任务时背侧前扣带皮层（dACC）内局部神经元群体的活动。先前的研究利用术中微电极记录技术研究了 dACC 中单个神经元的活动14，并表明 dACC 的活动受到先前活动的调节。微电极研究能够分析单个神经元的动作电位活动。SEEG 测量的是局部场电位（LFPs），其反映的是大量神经元突触电位的总和。因此，SEEG 可以同时检测多个脑区的群体神经元活动。

在使用SEEG等临床技术来研究科学问题时，首先必须确保手术方案与研究计划相一致。需要解决的临床问题是确定患者的癫痫发作起始区，这一点始终具有优先性。由于手术方案由临床需求决定，因此并非在每个病例中都能对相同的研究问题进行探究。为此，我们设计了一系列任务，旨在回答不同的科学问题，并可根据电极所探测的脑区，灵活地适应患者的手术方案。

本研究利用立体脑电图（SEEG）局部场电位（LFP）数据，探究背侧前扣带皮层——这一位于内侧前额叶区域的深部皮层结构——在目标导向行为中的认知控制作用，该脑区在人类中难以进行研究。L.......

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披露

作者声明无利益冲突。

致谢

作者没有致谢或财务披露。

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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
触发 I/O 电缆Natus Medical Inc.5029PS2 转 BNC 电缆
用于模拟脉冲的 BNC 电缆可从大多数电子商店订购。
带浪涌保护和电池备份的电源插座Tripp LiteSMART500RT1U UPC电源及备用电源
国家仪器多功能数据采集卡 NI PCIe-6382 DAQ 卡National InstrumentsPCIe-6382 w/ BNC 2090A用于行为控制接口的 PCI 卡
定制按钮盒——人机接口设备可使用任何带三个按钮的人机接口设备。也可使用键盘上的三个按键。
Xltek 128 通道临床颅内脑电图监测系统 EMU128FSNatus Medical Inc.002047c临床记录系统
用于视觉刺激呈现的受试者显示器及相关电缆DellU2212HMc大多数显示器均可满足需求。
安装有 DAQ 卡并运行行为学软件的个人计算机SuperlogicsSL-2U-PD-Q87SLQ-BA用于记录神经数据的计算机
显示器主电源线通常随显示器附带，也可在任意电子商店购买。
在 MATLAB 2010A 上运行的 Monkey Logic 软件可从 MonkeyLogic 官网免费获取
配备数据采集工具箱的 MATLAB 2010a 软件MathworksMATLAB 软件
sEEG 电极 AD TECH 或 PMTAD TECH2102-##-101铂金探头，直径（0.89 mm、1 mm、1.1 mm），未绝缘长度 2.3 mm；目录编号中的 ## 表示电极上的触点数量（08、10、12 或 16）
Cabrio 连接器PMT2125-##-01目录编号中的 ## 表示电极上的触点数量（08、10、12 或 16）
Tucker Davis Technologies 放大器Tucker Davis TechnologiesPZ5神经数据前置放大器
Tucker Davis Technologies 处理器Tucker Davis TechnologiesRZ2神经信号处理器
Tucker Davis Technologies 数据流设备Tucker Davis TechnologiesRS4数据流传输与存储设备
用于连接 TDT 系统的光纤电缆Tucker Davis TechnologiesF05用于连接 Tucker Davis Technologies 产品的光纤电缆
用于数字标记的带状电缆和快接串行连接器可从大多数电子商店订购。
用于运行 TDT RPvdsEx 和 OpenEx 软件的个人计算机SuperlogicsSL-2U-PD-Q87SLQ-BA用于行为控制的计算机
带脚轮的 Middle Atlantic 服务器机柜Middle Atlantic ProductsPTRK-21用于存放所有研究设备的服务器机箱
Tucker Davis Technologies 分路盒，用于分离临床与科研记录信号Tucker Davis Technologies该分路盒为半定制设备。研究人员应咨询主管神经科医生，以确保科研与临床记录的分离不会干扰临床诊疗。
配备必要电缆的研究人员显示器DellU2212HMc大多数显示器均可满足需求。
按钮盒电源——5 伏，2 安培可在任意电子商店购买。
TDT 光学接口 PCI 卡Tucker Davis TechnologiesP05

参考文献

  1. Murray, C. J., Lopez, A. D., Jamison, D. T. The global burden of disease in 1990: summary results, sensitivity analysis and future directions. Bulletin of the World Health Organization. 72, 495(1994).
  2. Berg, A. T.

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