脑磁图(MEG)与高密度脑电图(HD-EEG)很少被同时记录,尽管二者可提供相互验证且互补的信息。本文展示了同步记录MEG与HD-EEG的实验设置,以及分析这些数据的方法,旨在定位药物难治性癫痫患儿的致痫灶和功能重要脑区。
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脑磁图(MEG)与高密度脑电图(HD-EEG)很少被同时记录,尽管二者可提供相互验证且互补的信息。本文展示了同步记录MEG与HD-EEG的实验设置,以及分析这些数据的方法,旨在定位药物难治性癫痫患儿的致痫灶和功能重要脑区。
对于药物难治性癫痫(DRE)患儿,实现无发作依赖于精确定位并切除(或损毁/断开)癫痫发生区(EZ),同时保护功能重要脑区。因此,开发一种可靠且无创的定位方法,为临床提供可用于定位EZ的有用信息,对于取得成功的手术效果至关重要。电生理源成像(ESI)和磁源成像(MSI)在这些患者的术前评估中应用日益广泛,已在癫痫发生区及功能重要脑区的定位方面展现出良好前景。此外,将ESI与MSI整合为单一解决方案,即电磁源成像(EMSI),基于同步的高密度脑电图(HD-EEG)和脑磁图(MEG)记录,其源定位准确性已证明高于任一单独模态。尽管这些结果令人鼓舞,但此类技术目前仅在少数三级癫痫中心开展,同步记录尤为罕见,在儿科人群中的应用仍显不足。本研究展示了同步采集MEG与HD-EEG数据的实验设置,以及分析这些数据的方法框架,旨在定位DRE患儿的激惹区、发作起始区及功能重要脑区。更具体而言,本文介绍了以下实验设置:(i)在睡眠期间记录并定位发作间期和发作期癫痫样放电活动;(ii)在视觉运动任务以及听觉和躯体感觉刺激过程中,记录视觉、运动、听觉和躯体感觉诱发电位,并绘制相应的功能重要脑区(即视觉、运动、听觉和躯体感觉区)图谱。此外,详细阐述了数据分析流程,包括采用等效电流偶极子(ECD)和动态统计参数映射(dSPM)方法进行EMSI以及单独的ESI和MSI分析的具体步骤。
癫痫是最常见且致残性最强的神经系统疾病之一,其特征是反复发作且无明显诱因的癫痫发作,发作形式可为局灶性或全面性。尽管已有多种有效的药物治疗手段(例如抗癫痫发作药物[ASMs]),但约20-30%的患者无法控制发作,属于药物难治性癫痫(DRE)1。对于这些患者,癫痫手术是消除癫痫发作最有效的治疗方法;若能完全切除(或损毁/断开)致痫区(EZ)——即产生癫痫发作所必不可少的最小脑区——则手术可能取得成功2。在保留功能关键皮层的前提下,准确界定并切除(或损毁/断开)致痫区,是实现术后无发作的关键因素。为了确定是否适合手术,多学科团队会使用多种无创诊断工具来界定不同的皮层区域(即激惹区、发作起始区[SOZ]、功能缺损区和致痫性病变),这些区域可作为致痫区的间接近似指标3。当上述方法均无法明确识别致痫区时,则需要通过颅内脑电图(iEEG)进行术外监测。iEEG的作用在于精确定位发作起始区(即临床癫痫发作起源的脑区),从而明确致痫区位置,并绘制功能关键脑区图谱。然而,由于该方法具有侵入性4,5,6、空间覆盖范围有限,且需要事先具备清晰的术前定位假设7,因此存在严重局限性。结果可能导致未能发现真正的发作焦点及其实际范围,从而导致手术失败。此外,iEEG的解读需要在住院期间记录多次典型的临床发作,这延长了住院时间,增加了并发症风险(如感染和/或出血)5。因此,迫切需要开发可靠且无创的定位方法,以提供具有临床价值的信息,整体改善药物难治性癫痫患儿的术前评估。
近几十年来,电和磁源成像(ESI 和 MSI)在药物难治性癫痫(DRE)患者术前评估中的应用日益广泛,用于界定致痫区以及大脑功能区。特别是,ESI 和 MSI 可通过无创记录手段(如高密度脑电图(HD-EEG)和脑磁图(MEG))重建神经源活动,从而辅助手术方案制定或颅内脑电(iEEG)电极的放置。ESI 和 MSI 可用于定位发作间期癫痫样放电(IEDs),例如棘波和尖波,也可用于定位发作期(癫痫发作)活动。此外,这些技术还可用于定位参与感觉、运动、听觉和认知功能的不同功能脑区。通过对电生理事件(如 IEDs 和癫痫发作)进行重建,可分别识别激惹区(即 IEDs 起源的脑区)和癫痫发作起始区(SOZ),这两者均被视为定位致痫区(EZ)的有效替代指标。对功能皮层(即对特定皮层功能不可或缺的脑区)3的定位则有助于绘制功能区相对于计划切除范围的位置和范围,从而预先降低癫痫手术可能带来的功能缺损风险8,9,10,11。多项研究探讨了 ESI 和/或 MSI 在癫痫术前评估中的临床效用,结果表明这些技术在致痫区定位方面具有良好的应用前景12,13,14,15,16,17,18,19。例如,Mouthaan 等人14基于 11 项前瞻性与回顾性癫痫研究的无创数据进行了广泛的荟萃分析,报告称这些源定位技术总体上可高灵敏度(82%)但低特异性(53%)地识别致痫区。其他研究也表明,在磁共振成像(MRI)结果正常的癫痫患者中,MSI 和 ESI 能够准确地将癫痫灶定位在术后切除范围内19,20,21。这些定位结果对于因临床或影像学检查结果不明确而无法接受癫痫手术的患者尤为重要。综上所述,ESI 和 MSI 在 DRE 患者致痫区及功能脑区的术前定位中具有重要价值。
尽管这些发现令人鼓舞,但目前仅有少数三级癫痫中心常规开展此类技术,且在儿科人群中往往未得到充分利用。此外,高密度脑电图(HD-EEG)与脑磁图(MEG)很少被同步记录,而两者实际上可提供相互验证且互补的信息。MEG 对位于脑回表面、具有切向方向的浅表源敏感,但对径向方向的源或位于脑回深部区域的源则不敏感。22,23,24,25,26此外,与脑电图(EEG)相比,脑磁图(MEG)具有更高的空间分辨率(毫米级)。16,22,25与脑电图信号不同,脑磁图信号无需参考电极,且基本不受脑组织不同导电性(即脑膜、脑脊液、颅骨和头皮)的影响。25,27 提供大脑产生的磁场的无失真测量。另一方面,脑电图(EEG)能够检测所有方向的源信号,但其空间分辨率低于脑磁图(MEG),且更容易受到伪迹干扰26,28由于对源定位和深度的敏感性互补,约30%的癫痫样放电活动(如痫样放电,IEDs)只能在脑磁图(MEG)中记录到,而无法在脑电图(EEG)中检测到,且 反之亦然26,29,30,31,32与允许长时间记录的脑电图(EEG)不同,由于脑磁图(MEG)的记录时间受限,通常难以捕捉到临床发作事件,因为大多数患者的发作期事件无法在有限的记录时间内出现。此外,与发作相关的眼动或头部运动所引起的伪迹常常会干扰MEG记录的质量。29,33,34,35另一方面,与脑电图(EEG)相比,脑磁图(MEG)记录速度更快、操作更简便,尤其适用于儿童,因为无需在儿童头部安放传感器。35.
硬件技术的进步使得能够同时记录覆盖整个头部的高密度脑磁图(MEG)和高密度脑电图(HD-EEG)数据,传感器数量超过550个。此外,现代脑电图技术的发展已将高密度脑电图的准备时间缩短至不到15分钟36。这对于行为配合困难、无法长时间保持静止的儿科人群尤为重要。同时,软件技术的进步使得脑电图源成像(ESI)与脑磁图源成像(MSI)能够整合为一种联合解决方案,即电磁源成像(EMSI),该方法基于同步采集的高密度脑电图与脑磁图数据进行分析。多项理论与实证研究表明,EMSI在源定位准确性方面优于单独使用任一模态13,30,31,37,38,39,40,41。Sharon 等人.37采用不同的源定位方法重建对感觉刺激的脑活动,发现与单独使用ESI或MSI相比,EMSI的定位结果始终更接近功能性磁共振成像 (fMRI)——后者作为无创性精确定位准确性的参考标准。作者认为,这种定位精度的提升源于用于求解逆问题的传感器数量增加,以及两种成像模态不同的敏感性模式37。类似地,Yoshinaga 等人.31对局灶性难治性癫痫患者同步采集的脑电图和脑磁图数据进行偶极子分析,发现EMSI提供了单独使用任一模态无法获得的信息,并成功指导其中一名患者的癫痫手术定位。在一项前瞻性盲法研究中,Duez 等人.13显示,与单独使用ESI或MSI相比,EMSI显著提高了无发作概率(即更高的优势比),定位准确性达到或超过52%,与激惹区和癫痫发作起始区(SOZ)的一致性分别达到或超过53%和36%。我们团队最近的一项研究42表明,EMSI在定位估计精度和手术预后预测性能方面均优于单独使用ESI或MSI,其相对于切除区域和SOZ的定位误差分别约为8 mm和15 mm。尽管这些结果令人鼓舞,但目前仍缺乏针对药物难治性癫痫(DRE)儿童人群的EMSI方法学研究框架。
本研究展示了同步进行脑磁图(MEG)和高密度脑电图(HD-EEG)记录的实验设置,以及分析这些数据的方法学框架,旨在定位药物难治性癫痫(DRE)儿童的癫痫样放电区、癫痫发作起始区(SOZ)和功能重要脑区。具体而言,本文介绍了以下实验设置:(i)在睡眠状态下记录并定位发作间期和发作期癫痫样活动;(ii)在视觉运动任务以及听觉和躯体感觉刺激过程中,记录视觉、运动、听觉和躯体感觉诱发电位,并绘制相应的功能重要脑区(即视觉、运动、听觉和躯体感觉区)的功能图谱。此外,本文还详细阐述了数据处理流程,包括进行电磁源成像(EMSI)以及利用等效电流偶极子(ECD)和动态统计参数映射(dSPM)方法进行个体化脑电图源成像(ESI)和脑磁图源成像(MSI)的具体步骤。
The experimental procedures applied here have been approved by the North Texas Regional Institutional Review Board (2019-166; Principal Investigator: Christos Papadelis). The following section will describe the experimental protocol for the noninvasive source localization of IEDs, ictal onsets, and event-evoked responses (i.e., visual, motor, auditory, and somatosensory) using simultaneous MEG and HD-EEG recordings followed in our laboratory. The International Federation of Clinical Neurophysiology43 and the American Clinical MEG Society44 have provided "minimum standards" for the routine clinical recording and analysis of spontaneous MEG and EEG data. Procedures for HD-EEG recordings described here apply only to sponge-based EEG electrode systems. The overall preparation process for each subject is about 2-3 h, comprising the actual recordings of ~1.5 h.
1. MEG system's preparation
2. Subject's preparation
3. Data acquisition
NOTE: The acquisition of simultaneous MEG and EEG data is performed in the MEG facility at Cook Children's Medical Center (CCMC). More details about the clinical use of MEG on pediatric children with epilepsy can be found elsewhere8,27,45.
4. Data analysis
来自库克儿童医疗系统(CCHCS)简和约翰·贾斯汀心理健康研究所癫痫门诊的药物难治性癫痫(DRE)儿科患者被纳入研究。本文展示了三位代表性患者的资料:(i)一名10岁女性,(ii)一名13岁男性,以及(iii)一名10岁女性。
病例1:一名10岁女性因自3岁起出现癫痫发作而入院。尽管已使用8种抗癫痫药物(ASMs),患者仍每日发作。初期发作表现为眼球偏斜(侧别不明确)和行为停止。随后,患者每日出现约持续30秒的癫痫发作,表现为发作性噘嘴(“警帽征”,chapeau de gendarme sign)、头向左侧偏转以及双侧上肢强直性僵硬(以右侧为主)。长程视频脑电图(EEG)显示两组成不对称的强直性发作,头向左偏,随后左上肢抬起。睡眠中亦观察到3次强直性发作,伴有频繁的全脑性快速多棘波和慢波发放,间歇性睁眼、上视以及左或右上肢抬高。这些多棘波和慢波睡眠期放电主要起源于左侧中颞叶。脑部MRI显示以下多灶性皮质发育不良:(i)左侧顶叶(中央后回)局灶性皮质发育不良(FCD),伴横贯纤维征(transmantle sign),属II型FCD;(ii)右侧顶枕交界区FCD;(iii)左侧颞极FCD。正电子发射断层扫描(PET)显示左侧顶叶、左侧颞叶及右侧顶枕交界区呈低代谢,与MRI上信号异常区域(即FCD病灶)相对应。患者被诊断为难治性癫痫,发作半侧综合征表现为典型的“警帽征”后继发上肢强直,提示可能起源于内侧额叶或岛叶/颞叶区域。建议进行广泛的双侧立体定向脑电图(sEEG)探查,靶区包括额叶、扣带回、岛叶及各发育不良区域。在颅内脑电图(iEEG)监测期间,患者出现典型发作,表现为“警帽征”后继发右侧或左侧上肢强直性抬高或屈曲,脑电图起始广泛,最大放电位于双侧前岛叶。多灶性发作间期放电(IEDs)主要见于双侧前颞叶及背外侧额叶皮层,包括双侧岛叶。基于iEEG记录所进行的电刺激成像(ESI)进一步确认了癫痫发作起始区(SOZ)的位置,临床定义为双侧背外侧额叶皮层及前岛叶。
作为术前评估的一部分,对同步采集的脑磁图(MEG)和高密度脑电图(HD-EEG)数据进行了源定位分析。MEG和HD-EEG记录显示双侧额颞区频繁出现癫痫样放电(IEDs)。图3A展示了MEG和HD-EEG数据中一次典型IED的示例;两种模态的地形电场图和电位分布图均提示右侧额颞区域可能存在潜在放电源。电生理源成像(ESI)结果显示偶极子呈弥散性分布,涉及双侧额颞区及顶叶区域。磁源成像(MSI)结果显示偶极子集中在右侧额颞叶,位置靠近右侧岛叶。联合电磁源成像(EMSI)结果显示双侧额颞区存在局灶性偶极子聚集,这与基于颅内脑电图(iEEG)金标准所进行的ESI结果一致,证实了临床观察结果(图3C)。通过EMSI估算的这些偶极子与iEEG定义的癫痫发作起始区(SOZ)之间的平均距离为9.81 mm(中位数:11.18;标准差:2.37)。
病例2:一名13岁男性因难治性癫痫入院,该患者自9岁起开始出现癫痫发作。发作起始表现为先兆,随后出现向左的头眼偏斜,有时意识保留,伴有左侧头部局灶性阵挛,持续约30秒,每周发作数次。曾尝试多种抗癫痫药物(ASMs),但均未能控制发作。长程视频脑电图(EEG)显示右侧后颞区棘波,以及右侧半球频繁的棘-慢波放电,累及中颞区、额颞区、颞顶区和中央顶区皮层。患者共记录到6次电-临床发作,表现为行为改变、头眼向左偏斜伴左上肢伸展,有时出现左上肢阵挛性活动;另有3次发作进展为双侧强直阵挛性发作。发作起始部位主要位于右侧中颞叶,并在右侧额颞叶区域出现演变。脑部MRI显示右侧大脑半球广泛皮层发育畸形(以岛盖区为主),伴有右侧大脑半球轻度容积缩小及右侧侧脑室代偿性扩张。患者被诊断为起源于右侧大脑半球的难治性癫痫,倾向于在弥漫性皮层发育不良区域内的颞叶及岛盖区起始。为明确病变累及范围,进行了立体定向脑电图(stereo-EEG)检查,电极植入右侧颞叶、岛盖区、岛叶及顶枕皮层。在颅内脑电图(iEEG)监测期间捕捉到多次电-临床局灶性起始发作,起始部位主要集中于右侧额颞叶较大范围区域。基于iEEG数据进行的癫痫源成像(ESI)将这些发作源定位在一个更为局限的区域,涉及右侧颞叶(靠近右侧中颞回)及岛盖区。
作为术前评估的一部分,在同步进行脑磁图(MEG)和高密度脑电图(HD-EEG)检查期间,患者共经历了两次癫痫发作:一次发生在数字化过程中坐在木椅上时,另一次发生在正式记录期间,其发作起始在MEG和HD-EEG上均可清晰观察到(图4A)。发作起始时刻的地形场和电位图显示,癫痫发作起始的潜在发生源可能位于右侧中颞叶,如图4A所示。对发作事件的源定位分析中,电生理源成像(ESI)与磁源成像(MSI)呈现出不同的结果:ESI显示偶极子主要集中于右侧额颞叶及中央顶叶区域,而MSI显示偶极子高度聚集,主要位于右侧颞叶(图4B),并在额颞皮层区域存在额外散在的偶极子。通过整合这两种方法的结果,联合源成像(EMSI)揭示出发作起始区定位于颞叶,该结果与颅内脑电图(iEEG)金标准下的ESI定位一致(图4B)。特别是,EMSI所得定位结果与iEEG监测所定义的癫痫发作起始区(SOZ)之间的平均距离为12.21 mm(中位数:13.62 mm;标准差:2.37 mm)。
病例3:一名15岁女性患者,患有局灶性特发性癫痫,因癫痫发作入院。该患者自13岁起出现癫痫发作,但回顾性分析提示可能早在8至9岁时即已发病,当时因反复、刻板的颈部运动被诊断为抽动症。患者表现为短暂的头部向左倾斜,有时进展为伴有过度运动行为的局灶性意识障碍性癫痫发作(即继发全面性强直-阵挛发作),并伴有夜间惊厥性发作。曾尝试多种抗癫痫药物(ASMs)治疗,但未能实现完全的发作控制。在长程视频脑电图(EEG)监测期间,患者出现局灶性电-临床发作,并继发全面性放电,发作起源于左侧后颞叶;同时记录到多次短暂的局灶性运动性发作,表现为头部向左倾斜;另有一次细微的脑电图发作,起始于左侧中央顶区皮层。脑部MRI未发现急性颅内异常,但存在Chiari I型畸形。头部正电子发射断层扫描-计算机断层扫描(PET-CT)检查结果为阴性。建议进一步检查,包括发作期单光子发射CT(SPECT)、同步脑磁图(MEG)与高密度脑电图(HD-EEG)、颈椎X线片、头颈部磁共振血管成像(MRA),以及最终对左侧大脑半球进行立体定向脑电图(sEEG)探查。
作为评估的一部分,患者接受了同步的脑磁图(MEG)和高密度脑电图(HD-EEG)记录,以定位重要的脑功能区,如初级视觉、运动、听觉和体感皮层。首先,患者完成了一项视觉运动任务,随后进行听觉和体感刺激。视觉刺激后,MEG 和 HD-EEG 均在约 70 毫秒(ms)时首次观察到皮层反应(图 5A)。图 5B 分别展示了 MEG 和 HD-EEG 在视觉刺激过程中所涉及皮层区域的场拓扑图和电位图。对于 HD-EEG,在覆盖枕叶脑区的通道中观察到极性反转;而在 MEG 中,相同区域表现出更复杂的场分布(图 5B)。采用 dSPM 进行源定位分析显示,在此时间点,Desikan-Killiany 图谱中的以下脑区出现局灶性皮层活动:(i)MSI 的楔叶;(ii)ESI 的外侧枕叶皮层;以及(iii)EMSI 的楔叶和外侧枕叶皮层(图 5C)。对视觉皮层反应进行时频分析发现,MSI(约 30–50 Hz)、ESI(约 40–50 Hz)和 EMSI(约 30–50 Hz)在伽马频段均出现事件相关同步化(ERS)(图 5D)。在运动诱发反应中,运动起始期间对侧 M1 区域的 μ 节律活动受到抑制(图 6A)。在 图 6B 中,我们分别展示了 MEG 和 HD-EEG 在运动任务期间激活脑区的场拓扑图和电位图。MEG 场图显示对侧中央脑区磁通入与磁通出发生明显变化,提示对侧 M1 区可能存在潜在的局灶性发生器(图 6B)。HD-EEG 电位图在相同区域显示出局灶性极性变化,且电位方向垂直于磁场(图 6B)。在执行敲击任务时,MSI、ESI 和 EMSI 的最大源激活峰值均出现在 Desikan-Killiany 图谱中对侧中央前回,如 图 6C 所示。在预期即将发生敲击动作期间出现的运动相关皮层反应中,MSI(约 20–30 Hz)和 EMSI(约 20–40 Hz)在 β 和 γ 频段出现 ERS,而 ESI 仅在 γ 频段(约 30–50 Hz)出现 ERS,文献中将此现象称为 μ 节律抑制(图 6D)55,56。听觉刺激诱发的 MEG 场和 HD-EEG 电位分别在刺激开始后约 80 毫秒和 120 毫秒出现最大正向峰值(图 7A)。在 图 7B 中,我们分别报告了 MEG 和 HD-EEG 在听觉刺激过程中所涉及皮层区域的场拓扑图和电位图。在 MEG 和 HD-EEG 中,覆盖左侧颞叶脑区的传感器均表现出明显的极性变化,具有清晰定义的负极和正极;这些相互垂直的磁场和电位图可能提示 V1 区存在潜在的局灶性发生器(图 7B)。对平均听觉诱发场和电位进行源定位分析发现,MSI、ESI 和 EMSI 的最大皮层激活均出现在 Desikan-Killiany 图谱中的横颞回及颞上回后部(图 7C)。对听觉诱发反应进行时频分析发现,MSI(约 40–60 Hz)和 EMSI(约 35–50 Hz)在 γ 频段出现 ERS,而 ESI 在 β 和 γ 频段(约 25–60 Hz)均出现 ERS(图 7D)。最后,MEG 和 HD-EEG 分别在触觉刺激开始后约 60 毫秒和 50 毫秒观察到首个皮层活动(图 8A)。在 图 8B 中,我们分别展示了 MEG 和 HD-EEG 在体感刺激过程中激活脑区的场拓扑图和电位图。MEG 场图显示,覆盖对侧顶叶区域的传感器处磁通量发生明显极性变化和显著改变;而 HD-EEG 电位图在相同区域的极性变化较不明显,且正极强度大于负极。这些相互垂直的磁场和电位图可能提示 S1 区存在一个局灶性皮层发生器。对平均体感诱发反应采用 dSPM 进行源分析发现,MSI、ESI 和 EMSI 在此时间点的最大皮层源活动均位于 Desikan-Killiany 图谱中的对侧中央后回(图 8C)。在触觉刺激下,MSI(约 15–40 Hz)和 EMSI(约 20–40 Hz)在 β 和 γ 频段出现 ERS,而 ESI 在 γ 频段(约 30–40 Hz)出现 ERS(图 8D)。

图1:CCHCS实验室中MEG与高密度脑电图(HD-EEG)同步记录的实验装置。(A)高密度脑电图系统(256通道)与脑磁图系统(306个传感器),MEG设备的机架调整为仰卧位(90°,水平位置),以便使用无磁性、兼容MEG的病床记录静息或睡眠状态下的脑活动。技术人员正在为受试者(一名9岁女孩)准备记录过程,同时确保其安全与舒适。(B)使用无磁性、兼容MEG的座椅,将HD-EEG与MEG系统设置为坐姿记录模式。技术人员正在为受试者准备记录,并确保其在屏幕前的正确坐姿,视觉刺激将在视觉运动任务期间投射到屏幕上。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:使用不同采集系统整合同步MEG与高密度EEG记录数据的技术细节。(A)针对一名代表性受试者(一名9岁女孩),将MEG与高密度EEG传感器在相同坐标系(由受试者头部坐标定义)中进行空间对齐(共配准)。受试者的头部坐标由以下标志点表示:鼻根点(绿色)、左/右耳前点(分别为红色和蓝色)。图中显示了306个MEG传感器(蓝色)——包括102个磁强计和204个平面梯度计——以及头部位置指示(HPI)线圈(品红色);同时,在同一坐标系中对齐的256通道高密度EEG也一并显示(粉红色)。(B)左侧面板:代表性受试者(一名9岁女孩)MEG与高密度EEG系统之间数据采样发生的线性漂移(即delta,以黑线表示)。Delta定义为同一触发信号发送至MEG与EEG系统的时间差的绝对值,其值随时间持续增加:从较低值(delta = 0 ms)到较高值(delta = 197 ms)。图中用蓝色虚线表示通过多项式函数估计并用于信号校正的线性漂移;校正后的漂移(随时间delta ≈ 0 ms)以红色虚线表示,代表MEG与EEG系统之间的时间同步。右侧面板:显示了对发送至MEG与EEG系统的最后一个触发信号估计的时间偏移(delta = 197 ms)的图形化表示。请点击此处查看该图的放大版本。

图 3:MEG 与高密度 EEG(HD-EEG)数据中的痫样放电间期(IEDs)。(A)一名10岁女性患者(病例1)同步记录的 MEG 与 HD-EEG 数据中的一段时程(10秒),其 IEDs 出现频繁。为便于可视化展示,从中选取了306个 MEG 传感器中的一部分以及256个 EEG 电极中的一部分。在子图中分别展示了 IED 峰值时刻 MEG 和 HD-EEG 的磁场拓扑图与电位分布图。(B)MEG 与 HD-EEG 传感器(黄色)在被试个体三维头部及皮层表面(蓝色)上的共配准位置。基于术前 MRI 构建的包含三层结构的真实边界元法(BEM)头部模型,三层分别为头皮(灰色)、外层颅骨(黄色)和内层颅骨(粉色)。(C)基于等效电流偶极子(ECD)方法对 IEDs 进行源定位聚类分析的结果,显示于被试个体的术前 MRI 上,包括 ESI、MSI、EMSI 以及基于 iEEG 的 ESI(金标准)52。偶极子聚类程度的热图显示拟合优度 >60% 的区域,颜色由低值(蓝色)到高值(红色)表示。通过 iEEG 数据进行 ESI 分析所确定的癫痫发作起始区被视为金标准(橙色和绿色圆圈)。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:MEG与高密度脑电图(HD-EEG)数据中的癫痫发作起始。(A)一名13岁男性患者(病例2)的MEG与HD-EEG同步记录片段(10秒),显示癫痫发作起始时刻(红色箭头)。为便于可视化,从中选取了306个MEG传感器和256个EEG电极的一部分进行展示。发作起始时刻的MEG和HD-EEG拓扑场图与电位图分别以内嵌子图形式显示。(B)采用等效电流偶极子(ECD)方法在发作起始时刻进行源定位聚类分析的结果,显示于该受试者的术前MRI图像上,包括ESI、MSI、EMSI以及基于iEEG的ESI(金标准)52。偶极子聚类程度的热图显示拟合优度>60%的区域,颜色从低值(蓝色)到高值(红色)变化。通过iEEG数据进行ESI所定义的癫痫发作起始区被视为金标准(蓝色圆圈)。请点击此处查看该图的放大版本。

图 5:来自 MEG 和 HD-EEG 数据的视觉诱发电场和电位。 (A)显示了一名 15 岁女性在 -100 ms 至 300 ms 时间区间内 MEG(上图)和 HD-EEG(下图)的平均视觉诱发电反应。(B)分别显示了初级视皮层的 MEG 场拓扑图和 HD-EEG 电位图。(C)使用动态统计参数映射(dSPM)方法对 MSI、ESI 和 EMSI 估计的 Desikan-Killiany 图谱脑区(即楔叶和外侧枕叶皮层)皮层激活最大振幅的源激活图。显示了源激活(dSPM 标准化 z 分数)的热图。(D)在 -100 ms 至 300 ms 时间窗内,对初级视皮层的视觉诱发电反应进行 Morlet 小波时频分解所得到的时频图。显示了时频功率的热图,其值以标准化数据相对于基线 [-200; 0] ms 均值的偏差百分比表示。请点击此处查看该图的放大版本。

图6:来自MEG和高密度脑电图(HD-EEG)数据的运动诱发电场和电位。 (A)显示了一名15岁女性在左手食指敲击任务中,时间区间为-100至300 ms的平均运动诱发电位响应,上图为MEG结果,下图为HD-EEG结果。中间面板显示了同一时间区间(-100 ms至300 ms)内的肌电图(EMG)信号及运动起始时刻(紫色箭头);该信号经30–300 Hz频段滤波处理(陷波滤波:60 Hz)。(B)分别展示了MEG和HD-EEG对应的初级运动皮层的电场拓扑图和电位分布图。(C)利用动态统计参数映射(dSPM)方法估计出的MSI、ESI和EMSI在Desikan-Killiany图谱对侧中央前回处皮层激活最大振幅的源激活图。热图显示了源激活强度(dSPM标准化z分数),并叠加显示中央沟(黑线)。(D)采用Morlet小波时频分解方法,在初级运动皮层的运动诱发电位响应上获得的时间窗为-300 ms至500 ms的时频图。热图显示了时频功率变化,以标准化数据相对于基线期[-1500; -1000] ms均值的偏差百分比表示。请点击此处查看此图的放大版本。

图7:来自MEG和高密度脑电图(HD-EEG)数据的听觉诱发电场和电位。(A)显示了一名15岁女性在-100 ms至300 ms时间区间内MEG(上图)和HD-EEG(下图)的平均听觉诱发电反应。(B)分别显示了MEG和HD-EEG对应的初级听觉皮层的脑地形图电场与电位图。(C)利用动态统计参数映射(dSPM)方法估计的MSI、ESI和EMSI在Desikan-Killiany图谱的颞横回及颞上回后部皮层激活最大振幅的源激活图。显示了源激活的热图(dSPM标准化z分数)。(D)在-100至300 ms时间窗内,对初级听觉皮层的听觉诱发电反应进行Morlet小波时频分解所得的时频图。显示了时频功率的热图,其值以标准化数据相对于基线[-500; 0] ms均值的偏差百分比表示。请点击此处查看该图的放大版本。

图 8:来自 MEG 和高密度 EEG 数据的体感诱发电场和电位。 (A)显示了一名15岁女性在左手手指刺激条件下,MEG(上图)和高密度 EEG(下图)在 -100 至 300 ms 时间区间内的平均体感诱发电反应。(B)分别显示了 MEG 和高密度 EEG 的初级体感皮层的电场和电位地形图。(C)利用动态统计参数映射(dSPM)方法估计的 MSI、ESI 和 EMSI 在 Desikan-Killiany 图谱对侧中央后回处皮层激活最大振幅的源激活图。显示了源激活(dSPM 标准化 z 分数)的热图,并叠加中央沟(黑线)。(D)在初级体感皮层的体感诱发电反应上,采用 Morlet 小波时频分解方法获得的 -100 ms 至 300 ms 时间窗内的时频图。显示了以基线 [-100; 0] ms 期间标准化数据相对于均值的偏离百分比表示的时频功率热图。请点击此处查看该图的放大版本。
本研究展示了在儿童癫痫持续状态(DRE)患者静息/睡眠、执行任务或接受刺激时,同步记录脑磁图(MEG)和高密度脑电图(HD-EEG)的实验设置,并提出了一种利用联合源成像(EMSI)以及个体化的MEG源成像(MSI)和EEG源成像(ESI)来定位激惹区、癫痫发作起始区(SOZ)及功能重要脑区的方法学框架。我们进一步提供了技术建议,用于整合来自不同商用设备的MEG与HD-EEG数据,这些设备各自具有独特的特性。我们展示了三个病例的数据,以增强EMSI在定位致痫区和功能重要脑区方面的临床实用性。研究结果表明,EMSI的效果优于单独使用任一模态的结果,这很可能归因于MEG与EEG信号在联合分析中互补特性的叠加效应,也可能得益于用于数据记录的传感器数量增加(>550个传感器)。特别是,EMSI以无创方式定位了激惹区和SOZ,其结果与颅内脑电图(iEEG)金标准下的ESI结果一致,证实了临床观察结果。
本研究提出的方法包括以下关键步骤:(i)对药物难治性癫痫患儿,采集高质量的同步脑磁图(MEG)和高密度脑电图(HD-EEG)数据(即高信噪比),传感器空间采样密度高(>550个传感器),覆盖全脑,记录发作间期和发作期活动,以及视觉、运动、听觉和体感诱发的场与电位(步骤3.1–3.2);(ii)对使用不同采集系统记录的MEG与HD-EEG信号进行时间同步和空间共配准(步骤3.12);(iii)仔细预处理并分别选取包含发作间期活动(步骤4.1.1–4.1.7)、发作起始活动(步骤4.2.1–4.2.7)以及事件相关反应(步骤4.3.1–4.3.6)的数据片段;(iv)采用可靠的源定位方法(如结合聚类的等效偶极子模型ECDs和分布式源成像dSPM),精确进行激惹区、癫痫发作起始区(SOZ)以及感兴趣功能脑区的源定位(分别对应步骤4.1.8–4.1.9、4.2.8–4.2.9和4.3.7–4.3.9)。
进行同步MEG和高密度EEG记录时最关键的步骤,是对两个采集系统所记录的数据进行空间(坐标系之间的对齐)和时间(线性时钟漂移的校正)同步。这种同步对于准确识别在MEG和高密度EEG信号中同时发生的痫样放电、发作期事件以及视觉/运动/听觉/触觉事件至关重要。若这些事件的时间点选择出现误差,可能会影响脑电源定位结果,并错误识别出并未真正参与这些事件产生的脑区。
MEG 系统通常提供兼容的 32、64 和 128 导 EEG 系统,集成于产品中,用于同步进行 MEG 和 EEG 测量。在这种情况下,无需通过发送公共触发信号来实现数据的时间同步。同样,目前大多数 EEG 系统都可与所有 MEG 系统兼容。尽管硬件技术不断进步,但仅有少数癫痫中心在术前评估中常规开展同步 MEG 和高密度 EEG(HD-EEG)记录。本文利用了这种集成能力,结合了 306 导 MEG 和 256 导 EEG 系统,使用覆盖受试者头部的 >550 个传感器同步记录脑部活动。迄今为止,可用于 MEG、HD-EEG 和颅内 EEG(iEEG)数据高级分析的软件(例如 Brainstorm、CURRY、EEGLab、FieldTrip、MNE 或 NUTMEG)仍然较少。因此,未来研究有必要结合新的神经影像分析软件,进一步验证所提出的方法学。最后,将磁源成像(MSI)和电源成像(ESI)整合为统一解决方案(EMSI),增加了数据分析的计算复杂性。
所述方法存在一些局限性,需在今后的研究中加以解决。我们手动选取了两名代表性患者在MEG和高密度EEG数据中均出现的痫样放电事件(IEDs),而忽略了仅在其中一种信号(MEG或EEG)中出现的间歇期痫样放电。手动选取放电事件可能耗时较长且具有主观性,而过去几十年开发的用于检测IEDs的自动化方法可简化这一过程。57,58,59然而,仍建议通过视觉检查对每个痫样放电(IED)进行仔细分析和精细检测。此外,我们采用癫痫发作起始区(SOZ)作为癫痫灶(EZ)的近似指标。但SOZ并不总能预测手术预后效果。60,61,62,63因此,未来的研究可将手术结果作为确定癫痫灶(EZ)更精确边界的标准依据13,14,15,16,17,19,20尽管可以通过同步使用MEG和EEG成功捕获癫痫发作,并利用适当的源定位技术进行定位44,64在临床实践中,记录此类发作事件相对罕见,尤其是正在使用抗癫痫药物(ASMs)的门诊患者。这主要是由于脑磁图(MEG)记录时间有限,以及发作期间常出现大幅度的身体运动(例如患者头部滑出杜瓦瓶),这些运动可能产生生物伪迹,严重影响脑电源定位结果的准确性。在最近的一篇综述中,Stefan 等人. 报道了在不同研究中,7%至24%的患者在进行MEG记录期间出现癫痫发作,记录时间从平均30分钟至最长5.7小时不等65. 在CCMC,过去约两年内接受同步MEG与HD-EEG记录的89例患者中,有18例(20.2%)捕捉到发作事件。然而,仅有8例(占18例中的44.4%)患者成功完成分析。当发作间期MEG记录显示正常或结果不明确时,发作期MEG或HD-EEG可用于高精度定位癫痫灶(EZ)。然而,此类记录的技术与操作要求需予以充分考虑。此外,通过EMSI实现的功能区皮层定位代表性数据尚未与任何功能脑区定位的金标准(如无创fMRI或术中皮层电刺激)进行比较。因此,未来研究可整合EMSI与fMRI,开发一种多模态无创成像工具,以提高对药物难治性癫痫(DRE)患儿功能区脑区的定位准确性。该方法还可拓展至其他功能脑区的定位,例如语言功能区。在DRE患者的术前评估中,语言功能的定位至关重要,有助于判断患者是否适合手术、规划手术切除范围,并预防术后永久性功能缺损。66多项非侵入性研究表明,使用MEG进行语言定位 mapping 可提供与侵入性Wada试验相似的一致性结果,后者通常被视为识别优势语言半球的金标准。67,68,69,70最近一项研究提出了一种多模态方法,通过结合不同技术(即皮层电刺激定位、高伽马波段皮层脑电图、功能性磁共振成像和经颅磁刺激),可为术前语言功能区定位提供相互验证和互补的信息71尽管具有这些优势,由于年龄相关的认知、智力和语言障碍,儿童患者中的语言区定位仍然具有挑战性。因此,在不久的将来应开发更多适合特定年龄段且对儿童友好的任务范式和实验设置。在本研究中,我们使用的软件尚未获得用于临床目的的认证,尽管这些工具已被证明具有较高的价值和有效性,但在报告用于临床手术前评估的结果时,仍需考虑其潜在的责任问题。本文描述了仅使用基于海绵电极的高密度脑电图(HD-EEG)系统进行记录的操作流程。基于导电膏电极的EEG系统在临床和科研环境中也被广泛使用。虽然这类系统可提供信噪比更高的EEG记录,但其准备时间较长(约40–60分钟),因此在儿科应用中适用性较低。此外,一些实验室在进行脑磁图(MEG)记录时采用低密度导电膏EEG系统,这类系统在准备时间方面优于HD-EEG系统,但由于覆盖全头皮的电极数量较少,其空间分辨率显著降低。12,16,72,73.
目前,癫痫患者致痫脑区的定位主要仍依靠颅内脑电图(iEEG)监测。此外,对于功能重要脑区的精确定位方法尚不明确,而现有的脑磁图(MEG)实验室所采用的实验装置不适合儿童患者,同时高密度脑电图(HD-EEG)在该领域的应用也非常有限。准确识别这些脑区有助于术前评估,并优化针对病灶切除或iEEG电极植入的手术规划。迄今为止,已有若干研究探讨了脑电图源成像(ESI)或脑磁图源成像(MSI)在药物难治性癫痫(DRE)及局灶性癫痫患者术前评估中的作用,用于定位癫痫灶(EZ)12,13,14,15,16,17,18,19 以及体感皮层等重要功能区41。少数研究表明,相较于单独使用MSI或ESI,联合源成像(EMSI)在源定位精度和预后预测性能方面表现更优13,31,42。尽管有上述研究进展,MEG与EEG同步记录仍极少开展,MSI和ESI技术也仅在全球少数癫痫中心得以应用。据我们所知,本研究是首个为儿童癫痫患者提供同步采集与分析MEG和HD-EEG数据、并实施EMSI以无创识别激惹区、发作起始区(SOZ)以及包括初级视觉、运动、听觉和体感皮层在内的功能重要脑区的方法建议的研究。
本研究中,我们对两名药物难治性癫痫(DRE)患者(病例1和病例2)同步采集的无创数据中检测到的发作间期棘波和发作期事件进行了EMSI分析,得到的源定位误差分别约为9 mm和12 mm(相对于致痫区SOZ),结果与既往研究一致42。值得注意的是,该方法的定位精度可与颅内记录结果(即基于颅内脑电图iEEG数据的ESI)相媲美,所获得的偶极子聚集于临床观察所确定的致痫脑区(图3C 和 图4B)。此外,我们利用第三名典型DRE患者(病例3)的无创数据,对视觉、运动、听觉和体感诱发电活动进行了EMSI分析,结果在相应的功能脑区(即视觉皮层、运动皮层、听觉皮层和体感皮层)观察到显著的源激活模式(图5C、 图6C、图7C、 和 图8C)。
我们的结果源于脑磁图(MEG)和脑电图(EEG)两种模态所获取的互补信息的融合,这种融合可能提高定位的准确性。众所周知,脑电图能够反映所有颅内电流,而脑磁图主要对切向源敏感,对深部脑区源不敏感29,74。本研究结果表明,结合MEG和EEG可克服各自模态的局限性,提供更优的定位结果,并识别出单独使用脑电图源成像(ESI)或脑磁图源成像(MSI)时可能遗漏的致痫区和功能重要脑区。此外,对于术前评估期间未接受功能磁共振成像(fMRI)检查的患者,我们提出了一种利用脑磁图-脑电图联合源成像(EMSI)非侵入性定位功能重要脑区的替代方法。
使用无创技术(如同步 MEG 和 EEG)对致痫区及功能重要脑区进行定位,是术前评估药物难治性癫痫(DRE)患儿的重要步骤,旨在完全切除或断开癫痫灶(EZ)的同时保护功能皮层区域。本方案详细描述了同步 MEG 和 EEG 数据的采集与分析方法,不仅适用于癫痫手术前评估,还可应用于认知神经科学领域,用于研究正常发育儿童及健康成人健康大脑的生理功能,以及与癫痫或其他神经系统疾病相关的脑形态和功能改变。未来针对致痫脑网络的研究还可进一步探讨:基于同步 MEG 和高密度 EEG(HD-EEG)数据,通过 EMSI 无创估算的网络枢纽(即高度连接的脑区)是否比单独使用 MSI 和/或 ESI 方法能更准确地定位 DRE 患儿的 EZ75,76,77。此外,通过 EMSI 估算的尖波和涟波(即高频振荡,>80 Hz)在时空上的传播模式,可实现对癫痫样活动传播的病理生理机制进行更深入的理解,并无创评估这些传播活动的起始发生器——这是 EZ 的精确生物标志物78,79。本方案有助于进一步研究 MEG 与 EEG 系统之间的互补性,例如通过分析 MEG 和 EEG 传感器阵列对不同方向源信号的敏感性,从而在同步进行 MEG 和 HD-EEG 记录时,增进对脑电生理特性的理解。
本研究由国家神经疾病与卒中研究所(R01NS104116;R01NS134944;主要研究者:Christos Papadelis)资助。
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