记录人类颅内脑电图（ECoG）信号用于神经科学研究与实时功能性皮层定位

本方案的目的是从接受临床癫痫监测的患者中获取高质量的研究级皮层脑电图数据，并利用这些数据进行实时功能定位。首先，建立一个高质量的研究用信号采集系统，该系统可连接至临床癫痫监测系统，且不会影响或中断临床监测。功能定位的第二步是在患者清醒但安静休息时记录基线信号。

接下来，对信号进行处理，提取表征高频伽马频率范围内脑活动的特征，并利用这些特征构建患者基线脑状态的模型。最后一步是让患者执行简单的认知或运动任务，同时Siegfried系统的异常检测算法会突出显示高频伽马活动与基线相比发生显著变化的大脑皮层区域。最终，每个电极位置的决定系数可显示在执行任务期间哪些皮层区域表现出显著激活。

随后通过皮层电刺激来确认其参与情况，这些刺激结果通过提供补充信息，使刺激定位过程更加简便且耗时更少。脑皮层电图（ELECTROCORTICOGRAPHY 或 ECOG）是指利用硬膜下网格电极和条状电极记录患者的惯常发作。同时，可通过电刺激这些电极（每次刺激一个或两个），尝试干扰某些特定功能，如运动功能或语言功能，从而绘制出需要在切除手术中予以保留的功能性皮层区域图谱。

皮层脑电图（ECOG）兼具高时间分辨率和高空间分辨率，这是其他测量技术（如脑电图或功能性磁共振成像）所不具备的。特别是，ECOG 是唯一能够良好记录高频伽马频率范围内大脑电活动的方法，而该频段与多种大脑功能密切相关，具有重要的信息价值。ECOG 是一种侵入性记录技术，需将电极网格直接放置于大脑表面，因此需要进行手术，仅在临床需要外科手术的情况下才会实施。

患者通常需要在癫痫监测病房住院约一周，直到临床医生获得足够的信息以确定发作起源区域。如果患者同意，他们可以参与研究；只要我们不干扰临床监测，这将为研究人员提供一个独特的机会，以记录人脑在活动状态下的信号。在本视频中，我将演示如何通过配准术前 MRI 和术后 CT 扫描来定位 ECoG 电极，并将展示一种基于 ECoG 信号中伽马特征的新型功能定位方法。手术前，需获取患者头部的术前 T1 加权结构 MRI，参数要求为每层 256 × 256 像素、全视野、无插值、层厚 1 毫米，并优先采用矢状面切片。

然后在手术当天，观察网格电极和条状电极的外科植入过程，并采集电极原位的数码照片，以及神经外科医生关于电极植入位置的记录。术后获取颅骨X光片以及脑部CT扫描图像，CT扫描应从皮肤到皮肤以高分辨率进行，层厚1毫米，无角度倾斜。接下来，使用Curry软件包根据术前MRI数据构建患者大脑的三维皮层模型，并将其与术后电极网格植入的CT图像进行共配准。

然后依次右键单击每个电极位置，并选择“导出光标以定位”。为了配准电极的三维坐标，需以 MATLAB 格式导出受试者的三维皮层结构及电极坐标。随后创建导出文件，生成一段显示电极映射到脑表面的视频。

此外，使用自动化的脑图谱将电极坐标映射到标准的布罗德曼分区。综合审查三维模型、X射线图像、照片和记录笔记中的信息。确定电极的编号方案，并与医院技术人员协作，确保电极正确连接至分路盒。

严格遵循此编号顺序。同时，绘制一个用于连接电极的示意图，使得所有电极位置均能清晰区分且不重叠。选择两个远离假定功能关键皮层、可能在电皮层图上呈电静默状态的电极位置，作为初始的接地和参考电极位置。

接下来，准备一个串联的 GUSB 放大器组。通过选择其中一个作为主设备来实现同步，将其输出端连接至另一台设备的 S 输入端，并将主设备的序列号输入为 BCI 2000 的序列号。

设备ID主参数。将蓝色参考接口彼此连接，并将黄色接地接口在堆栈最右侧彼此连接。在会话开始前，您将在此处将选定的参考电极连接至蓝色接口，接地电极连接至黄色接口。

准备一个包含信号处理设置的模型 do I nni 文件，Siegfried 软件将使用该文件来构建模型。同时准备一个 dot PRM 文件或独立的 dot PRM 片段，其中包含 BCI 2000 系统用于数据采集和实时可视化的参数。Siegfried 的两个关键参数是电极位置，用于指定患者电极所采用的二维布局，以及电极条件，用于指定在何种条件下映射哪些任务。

需注意，与患者接触的时间有限，因此所有操作步骤必须稳健、优化，并提前进行演练。应选择合适时机向患者提出实验性记录的建议，并于当天尽早通知，且在会话前15分钟再次提醒。

将设备推至患者床边，然后接通电源并启动患者的视频监视器，同时唤醒计算机。此外，通过分路连接器将数据采集系统连接到皮层脑电图（ECOG）网格。启动 BCI 2000 软件。

然后，在启用可视化源参数的情况下，右键单击查看器并选择“设置配置”，将高通滤波器的截止频率设为5赫兹。注意，此设置仅影响信号的可视化，不会影响数据采集。通过观察在查看器中启用陷波滤波器后信号是否发生显著变化，来检查是否存在工频干扰或线路噪声。

如果存在干扰，请尝试通过移除任何可能引起电源干扰的来源（例如未使用的串扰电缆）来降低干扰。必要时更换用作参考和接地的电极。如果使用眼动仪，请使用制造商提供的校准软件对其进行校准，以避免分散注意力和中断，并尽量减少可能的信号干扰。

确保房间内的电视、收音机和手机均已关闭。首先记录基线活动，以开始实验过程。指导受试者放松，保持静止，眼睛睁开。

然后启动 GUSB 放大器源虚拟信号处理和刺激呈现。任务模块。在安静环境中，以舒适的光照条件记录六分钟的基础活动。

接下来，启动数据到模型的图形用户界面工具，将其配置为使用最大熵方法，从70至110赫兹范围内以每5赫兹为一个频段提取特征，每500毫秒的数据进行一次处理。按下“构建模型”按钮，使用伽利姆混合模型对所选的频谱特征构建概率模型。现在，向患者明确说明即将在此任务中执行的实验任务的具体指令。

受试者将在五次重复中每次完成每项任务10秒。启动GUSB放大器源Siegfried Sig Pro lava以及刺激呈现任务模块，并配置操作员以加载概率模型、皮层模型以及二维和三维电极坐标。按下操作员界面上的开始按钮以启动实验并开始映射过程。

原始数据将与事件标记一起自动流式传输，直到按下暂停按钮或实验运行结束。每次按下开始或恢复按钮时，都会创建一个新文件，以避免在每个任务期间覆盖之前的数据。Siegfried 软件可检测与任务相关的颅内脑电活动，并将其呈现在持续更新的大脑皮层二维和三维图谱中。每个圆圈的大小和红色程度代表其在当前任务中的重要性。

可通过滑块在整个会话过程中控制圆圈相对于最大R平方值的缩放比例。务必监测患者的行为及皮层脑电图（ECOG）信号中疑似癫痫发作的情况，并随时准备立即响应医护人员的警示与指示。此处显示了一例代表性患者的侧位X光片示例。

黄色圆圈标记了随后通过皮层电刺激定位确定的与接受性语言相关的电极位置。图中显示的是该患者植入过程中拍摄的照片。这些示意图以二维平面布局展示了Siegfried定位结果。

每个圆盘的大小和红色程度表示每个电极在任务中相对于基线状态参与程度的显著性，此处相同的统计量被映射为颜色，并呈现在由患者MRI数据重建的三维脑模型上。本视频已演示了如何为研究目的记录人类颅内脑电图（ECoG）数据，并使用BCI 2000软件套件进行实时处理。BCI 2000的一个实时应用示例是功能定位工具。

根据执行任务的数量，Siegfried Siegfried 定位可在10分钟内完成。初步结果在数秒内即可显现，经过5到10次重复（每次约10秒）后可获得稳定结果。Siegfried 定位的优势在于能够同时在整个网格范围内获取功能相关性，而电刺激则需要在每个电极位置单独施加电流刺激，耗时更长，且有可能诱发癫痫发作。

我们仍在进行电生理定位，但最初使用Siegfried可以快速获得初步定位图，从而显著缩短定位过程。未来，随着网格设计的改进，有望将其应用于癫痫监测之外的其他领域，例如在卒中患者中恢复功能、控制假肢运动，以及改善因声带肌肉瘫痪或肌萎缩侧索硬化（ALS）类疾病导致沟通障碍的患者与外界的交流能力。

感谢观看。