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区和功能重要脑区。
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区和功能重要脑区。
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,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,在儿童群体中的应用仍显不足。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,本文呈现了以下实验设置:(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,详细介绍了数据分析流程,包括使用等效电流偶极子(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诱因的癫痫发作,发作类型可为局灶性或全面性。尽管已有多种有效的药物治疗方案(例如抗癫痫药物 [ASMs]),但约有 20–30% 的患者无法控制癫痫发作,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——则可实现手术成功2。在保留功能区皮层的前提下,准确界定并切除(或损毁/断开)致痫区,是确保术后无癫痫发作的关键因素。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、癫痫发作起始区 [SOZ]、功能缺损区和致痫病变区),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,则需进行颅内脑电图(iEEG)的术外监测。iEEG 的作用在于精确定位癫痫发作起始区(即临床癫痫发作产生的脑区),并绘制功能区脑图谱。然而,由于该技术具有侵入性4,5,6、空间覆盖范围有限,且需要明确的术前定位假设7,因而存在严重局限性。因此,实际的癫痫发作起始区焦点及其范围可能被遗漏,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癫痫发作,这增加了并发症的风险(如感染和/或出血)5。因此,亟需开发可靠且无创的定位方法,以提供具有临床价值的信息,整体改善儿童药物难治性癫痫的术前评估。
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功能性脑区。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,从而辅助外科手术规划或颅内脑电图(iEEG)电极的放置。ESI 和 MSI 可用于定位发作间期癫痫样放电(IEDs)(如棘波和尖波)或发作期(癫痫发作)活动。此外,还可用于定位参与感觉、运动、听觉和认知功能的不同功能性脑区。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),这两者被认为是定位致痫区(EZ)的有效替代指标。对功能关键皮层(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关键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切除区域内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 患者致痫区及功能性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能够常规开展此类技术,且在儿科人群中的应用往往不足。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,但对径向定位的源或位于脑深部区域的源则不敏感。22,23,24,25,26此外,与脑电图(EEG)相比,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电导率(即脑膜、脑脊液、颅骨和头皮)的影响。25,27 提供由大脑产生的磁场的无失真测量。另一方面,EEG能够检测所有方向的源,但其空间分辨率低于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,脑磁图(MEG)在捕捉临床发作方面具有挑战性,因为其记录时间受限,通常不足以记录大多数患者的发作期事件。此外,与发作相关头部运动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报道,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,这种改进的定位能力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,结果显示EMSI提供了单独使用任一模态无法获得的信息,并成功指导了一例患者的癫痫手术定位。在一项前瞻性盲法研究中,Duez 等人.13发现,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癫痫发作起始区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)记录的实验装置,以及用于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)在睡眠期间记录并定位发作间期和发作期痫样放电活动;(ii)在视觉运动任务中记录视觉、运动、听觉和体感诱发电位,并绘制相应的功能重要脑区(即视觉、运动、听觉和体感皮层),以及进行听觉和体感刺激。此外,还详细介绍了数据处理流程,包括采用等效电流偶极子(ECD)和动态统计参数映射(dSPM)方法进行电磁源成像(EMSI)、个体化电生理源成像(ESI)和脑磁图源成像(MSI)的具体步骤。
本文所采用的实验程序已获得北德克萨斯地区机构审查委员会(编号:2019-166;主要研究者:Christos Papadelis)的批准。以下部分将描述我们实验室所遵循的实验方案,即通过同步进行的脑磁图(MEG)和高密度脑电图(HD-EEG)记录,对儿童药物难治性癫痫患者进行非侵入性源定位,以确定痫样放电(IEDs)、发作起始区以及事件相关诱发反应(即视觉、运动、听觉和体感诱发反应)的源区位置。国际临床神经生理学联合会43 和美国临床脑磁图学会44 已为临床常规记录与分析自发性 MEG 和 EEG 数据制定了“最低标准”。本文所述 HD-EEG 记录的操作流程仅适用于基于海绵电极的 EEG 系统。每位受试者的整体准备过程约为 2–3 小时,其中包括约 1.5 小时的实际记录时间。
1. MEG 系统的准备
2. 受试者准备
3. 数据采集
注意:同步 MEG 和 EEG 数据的采集在中国台湾库克儿童医疗中心(CCMC)的 MEG 设施中进行。有关 MEG 在患有癫痫的儿科患者中临床应用的更多细节,可参见其他文献8,27,45。
4. 数据分析
从库克儿童医疗系统(CCHCS)简和约翰·贾斯汀心理健康研究所癫痫门诊招募患有药物难治性癫痫(DRE)的儿科患者。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)及行为停滞。随后,患者每日出现持续约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)显示两簇非对称性强直性发作,头向左侧偏转,继之以左上肢抬起。睡眠中亦观察到三次强直性发作,伴有广泛性快速多棘波与慢波阵发,间歇性睁眼、上视及左或右上肢抬高。这些多棘波与慢波在左侧中颞叶区域最为显著。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)伴跨层征(transmantle sign,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。患者诊断为难治性癫痫,发作半相定型表现为“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。建议行广泛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,以双侧前岛叶区域最为显著。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区域。
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;两种模态的地形图场电位分布均提示可能的源位于右侧额颞区域。电生理源成像(ESI)结果显示偶极子呈弥散分布,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簇,这与基于颅内脑电图(iEEG)金标准所进行的 ESI 结果一致,并证实了临床观察结果(图3C)。通过 EMSI 估计的这些偶极子与 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。长期视频脑电图(EEG)监测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、额颞、颞顶和中央顶区皮层。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,有时伴有左上肢阵挛性活动;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,并向右侧额颞叶区域扩散。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大。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,发作起始最显著区域位于右侧额颞叶的较大范围区域。基于iEEG数据进行的癫痫源成像(ESI)将这些发作更精确地定位于一个较局限的区域,包括右侧颞叶(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)。发作起始时刻的拓扑场图和电位图显示,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)与磁生理源成像(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的散在偶极子。通过整合这两种方法的结果,联合源成像(EMSI)揭示出发作起始灶定位于颞叶,该结果与颅内脑电图(iEEG)金标准下的ESI结果一致(图4B)。特别地,EMSI所得定位结果与iEEG监测所定义的致痫区(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。患者表现为短暂的向左头部倾斜,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,并继发全面性扩散,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,表现为向左头部倾斜;另有一次细微的脑电图发作,起源于左侧中央顶区皮层。脑MRI未发现急性颅内异常,但显示存在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,例如初级视觉、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。视觉刺激诱发的首个皮层反应在刺激开始后约70 ms出现,该反应在MEG和HD-EEG中均可观测到(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。在HD-EEG中,覆盖枕叶脑区的电极通道显示出极性变化,而在相同区域的MEG则表现出更为复杂的场分布(图5B)。采用dSPM进行源定位分析,发现在此时间点,Desikan-Killiany图谱中的以下脑区存在局灶性皮层活动:(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,结果显示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的磁通入和磁通出发生明显变化,提示可能存在位于对侧M1区的局灶性源发生器(图6B)。HD-EEG电位图在相同区域显示出局灶性极性变化,其电位方向垂直于磁场(图6B)。在执行敲击任务时,MSI、ESI和EMSI在Desikan-Killiany图谱中的对侧中央前回均观测到最大源激活峰值,如图6C所示。在预期即将进行敲击运动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,ESI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和HD-EEG反应分别在刺激开始后约80 ms和120 ms出现最大正向峰值(图7A)。在图7B中,我们分别展示了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显示出明显的极性变化,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区存在一个局灶性源发生器(图7B)。对平均听觉诱发场和电位进行源定位分析,结果显示MSI、ESI和EMSI在Desikan-Killiany图谱中的横颞回和颞上回后部均出现最大皮层激活(图7C)。对听觉诱发反应进行时频分析,结果显示MSI(约40–60 Hz)和EMSI(约35–50 Hz)在γ频段出现ERS,ESI在β和γ频段(约25–60 Hz)出现ERS(图7D)。最后,MEG和HD-EEG分别在刺激开始后约60 ms和50 ms观测到对触觉刺激的首个皮层活动(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中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,且正极强度强于负极。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,结果显示在Desikan-Killiany图谱的对侧中央后回,MSI、ESI和EMSI在该时间点均出现最大皮层源活动(图8C)。在对触觉刺激的反应中,还观测到MSI(约15–40 Hz)和EMSI(约20–40 Hz)在β和γ频段出现ERS,ESI在γ频段(约30–40 Hz)出现ERS(图8D)。

图1:CCHCS实验室中同步进行MEG与高密度EEG的实验装置示意图。(A)高密度EEG(256通道)与MEG(306个传感器)系统,其中MEG设备的机架调整为仰卧位(90°,水平位置),以便使用非磁性MEG兼容床进行静息态或睡眠状态下的记录。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)使用非磁性MEG兼容座椅,将高密度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位置,以便在视觉运动任务期间投射视觉刺激。请点击此处查看该图的放大版本。

图2:使用不同采集系统同步记录MEG与高密度EEG数据的技术要点。(A)MEG与高密度EEG传感器的空间对准(共配准),即将两者对齐至同一坐标系(由受试者头部坐标定义),图中为一名代表性受试者(9岁女孩)。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——以及头部位置指示线圈(HPI线圈,品红色);所有传感器均对齐至同一坐标系,同时显示256个高密度EEG通道(粉红色)。(B)左侧面板:代表性受试者(9岁女孩)MEG与高密度EEG系统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:从低值(delta = 0 ms)到高值(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;经校正后的漂移(delta ~0 ms,随时间保持稳定)表示MEG与EEG系统间的时间同步,以红色虚线表示。右侧面板:显示对发送至MEG与EEG系统的最后一个触发信号估计的时间偏移(delta = 197 ms)的图示。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:MEG与HD-EEG数据中的发作间期癫痫样放电(IEDs)。(A)一名10岁女性(病例1)频繁出现IEDs,其MEG与HD-EEG同步记录的时间片段(10秒)。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。在子图中分别展示了MEG和HD-EEG在IED峰值时刻的磁场拓扑图和电位分布图。(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。采用基于术前MRI重建的三层面真实边界元法(BEM)头部模型,包括头皮(灰色)、外颅骨(黄色)和内颅骨(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,显示在被试个体的术前MRI上,包括ESI、MSI、EMSI以及iEEG上的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)在癫痫发作起始时同步记录的 MEG 与 HD-EEG 数据片段(10 秒,红色箭头指示发作起始时刻)。为便于可视化,从中选取了306个 MEG 传感器和256个 EEG 电极的一个子集。发作起始时刻的 MEG 和 HD-EEG 场电位拓扑图分别以内嵌图形式显示。(B)利用等效电流偶极子(ECD)方法在发作起始时刻进行源定位聚类分析的结果,显示于该受试者术前 MRI 图像上,包括 ESI、MSI、EMSI 以及 iEEG 上的 ESI(金标准)52。偶极子聚类热图显示拟合优度 >60% 的区域,颜色由低(蓝色)到高(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(蓝色圆圈)。请点击此处查看该图的放大版本。

图 5:来自 MEG 和高密度脑电图(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)和高密度脑电图(下图)的平均视觉诱发电位响应。(B)分别显示了初级视皮层的MEG和高密度脑电图的场电位拓扑图和电位分布图。(C)利用动态统计参数映射(dSPM)方法,分别对磁源成像(MSI)、电源成像(ESI)和联合磁电成像(EMSI)估计出的Desikan-Killiany图谱中的脑区(即楔叶和外侧枕叶皮层)皮层激活最大振幅的源激活图。显示了源激活的热图(dSPM标准化z分数)。(D)在-100 ms至300 ms时间窗内,对初级视皮层的视觉诱发电位响应进行Morlet小波时频分解所得到的时频图。显示了时频功率的热图,其数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高清版本。

图6:来自MEG和高密度EEG数据的运动诱发电场与电位。(A)显示了一名15岁女性在左手食指敲击任务中,MEG(上图)和高密度EEG(下图)在-100至300 ms时间区间内的平均运动诱发电位反应。肌电图(EMG)信号(中图)显示了-100 ms至300 ms时间区间内的运动起始时刻(紫色箭头);该信号经30–300 Hz频段滤波(陷波滤波:60 Hz)。(B)分别显示了MEG和高密度EEG的初级运动皮层拓扑电场与电位图。(C)分别采用动态统计参数映射(dSPM)方法估计MSI、ESI和EMSI在Desikan-Killiany图谱对侧中央前回处皮层激活的最大振幅,其源激活图一并显示。热图表示源激活强度(dSPM归一化z分数),并叠加中央沟(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反应上获得-300 ms至500 ms时间窗的时频图。热图显示时频功率,以归一化数据相对于基线[-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 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时间区间内的MEG(上图)和HD-EEG(下图)平均听觉诱发电反应。(B)分别显示了MEG和HD-EEG的初级听觉皮层的电场地形图和电位图。(C)利用动态统计参数映射(dSPM)方法,分别对MSI、ESI和EMSI在Desikan-Killiany图谱的横颞回及颞上回后部估计出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)使用Morlet小波时频分解方法,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分析得到的时频图。显示了时频功率的热图,其值以标准化数据相对于基线[-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:基于MEG与高密度脑电图(HD-EEG)数据的体感诱发电场与电位。(A)一名15岁女性受试者在左侧手指刺激后,于-100至300 ms时间窗内,MEG(上图)与HD-EEG(下图)记录的平均体感诱发电反应。(B)分别显示MEG与HD-EEG在初级体感皮层的场强与电位拓扑图。(C)采用动态统计参数映射(dSPM)方法,分别对MSI、ESI与EMSI估算出的Desikan-Killiany图谱对侧中央后回处皮层激活的最大振幅源定位图。热图显示源激活强度(dSPM标准化z分数),并叠加中央沟(黑线)。(D)在初级体感皮层,对体感诱发电反应采用Morlet小波时频分解方法,在-100 ms至300 ms时间窗内获得的时频图。热图显示时频功率,以标准化数据相对于基线期[-100; 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。
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)和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以非侵入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。
本研究所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)与高密度脑电图(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,记录包括发作间期和发作期活动,以及视觉、运动、听觉和体感诱发电场与电位的数据(步骤3.1–3.2);(ii)对使用不同采集系统记录的MEG与HD-EEG信号进行时间同步与空间共配准(步骤3.12);(iii)仔细进行数据预处理,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(例如结合聚类分析的等效偶极子模型ECDs和dSPM),精确进行致痫区、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以及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实现两种采集系统所记录数据的空间同步(坐标系之间的对齐)和时间同步(线性时钟漂移的校正)。这种同步对于准确识别在 MEG 和高密度 EEG 信号中同时发生的间歇期、发作期以及视觉/运动/听觉/触觉事件至关重要。这些事件的时间点选择错误可能会影响源定位结果,并识别出并不一定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 系统均可与所有 MEG 系统兼容。尽管硬件技术已有上述进展,但仅有少数癫痫中心在术前评估中常规开展同步 MEG 与高密度 EEG(HD-EEG)记录。本文充分利用了这种集成能力,结合了 306 导 MEG 与 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仍较少(例如 Brainstorm、CURRY、EEGLab、FieldTrip、MNE 或 NUTMEG)。因此,未来研究有必要利用新的神经影像分析软件对所提出的方法学进行验证。最后,将磁源成像(MSI)与电源成像(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数据中同时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)进行仔细分析和精确识别。此外,我们采用痫样放电区(SOZ)作为癫痫发生区(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,尤其是正在服用抗癫痫药物(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,严重影响源定位结果。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和HD-EEG记录的89例患者中,有18例(20.2%)捕捉到发作期事件。然而,这18例患者中仅有8例(44.4%)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)。但此类记录的技术和操作要求需予以充分考虑。此外,通过EMSI对功能区皮层进行定位的代表性数据尚未与任何功能脑区定位的金标准(如无创性fMRI或术中皮层电刺激)进行比较。因此,未来的研究可将EMSI与fMRI相结合,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。该方法还可进一步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多项非侵入性研究显示,使用MEG进行语言定位所获得的结果与有创的Wada试验具有较高的一致性,而Wada试验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,该方法结合多种技术(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不同年龄段且对儿童友好的任务范式和实验设置。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重要价值和有效性,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。在临床和科研实践中,基于导电胶的脑电电极系统也被广泛使用。虽然这类系统可提供信噪比更高的脑电记录,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胶脑电系统,这类系统在准备时间方面优于高密度脑电系统,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,癫痫患者致痫区的定位仍主要依赖于颅内脑电图(iEEG)监测。此外,对于重要功能脑区的精确定位方法尚不明确,且现有的脑磁图(MEG)实验室所采用的实验装置并不适合儿科患者,而高密度脑电图(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源成像(ESI)或脑磁源成像(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,用于定位癫痫区(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,联合脑磁-电源成像(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,且MSI和ESI技术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数据的方法指导,并开展EMSI以无创识别激惹区、发作起始区(SOZ)以及重要功能脑区(包括初级视觉、运动、听觉和体感皮层)的研究。
在此,我们对两名药物难治性癫痫(DRE)患者(病例1和病例2)同步采集的非侵入性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(相对于癫痫发作起始区SOZ),与既往研究结果一致。42令人印象深刻的是,该方法实现的定位精度可与颅内记录结果(即基于颅内脑电图数据的癫痫源成像)相媲美,所定位的偶极子簇集区域与临床观察所确定的致痫脑区高度一致。图3C 和 图4B)。利用来自第三位具有DRE的代表性患者(病例3)的非侵入性数据,我们还对视觉、运动、听觉和体感诱发活动进行了EMSI分析,发现相应功能脑区(即视觉、运动、听觉和体感皮层)存在显著的源激活模式(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,EEG能够反映所有颅内电流,而MEG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因此可以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EEG源成像(ESI)或MEG源成像(MSI)时可能遗漏的致痫区和功能重要脑区。此外,我们提出了一种替代性的无创方法,即在术前评估期间未接受功能磁共振成像(fMRI)检查的患者中,利用EMSI来定位功能重要脑区。
使用无创技术(如同步进行的脑磁图MEG和脑电图EEG)对致痫区及功能重要脑区进行定位,是药物难治性癫痫(DRE)患儿术前评估中的关键步骤,旨在完全切除或断开癫痫灶(EZ)的同时保护功能皮层区域。本研究所提出的方法学详细描述了同步MEG与EEG数据的采集与分析流程,不仅支持其在癫痫术前评估中的应用,还可用于认知神经科学领域,以探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与功能改变。未来针对致痫脑网络的研究还可进一步评估:利用同步MEG与高密度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),是否比仅使用MSI和/或ESI方法估算的结果能更准确地定位DRE患儿的EZ75,76,77。此外,通过EMSI估算的癫痫样放电及涟波(即高频振荡,>80 Hz)的时空传播模式的无创映射,有助于更深入理解癫痫样活动传播的病理生理机制,并可无创评估此类传播的起始发生器——这是EZ的一个精确生物标志物78,79。本方案还可通过分析MEG与EEG传感器阵列对不同方向源信号的敏感性,进一步研究MEG与EEG系统之间的互补性。此类分析可为同步进行MEG与HD-EEG时脑电生理特性的研究提供新的见解。
作者声明无利益冲突。
本工作由国家神经疾病与中风研究所(R01NS104116;R01NS134944;主要研究者:Christos Papadelis)资助。
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