Name: 在人类联合微创皮层下和非侵入性的表面神经生理学录音认知的评估和情感作用 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-05-19T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 25 s
Description: 学习通过同步记录局部场电位和脑电图来评估基底神经节的认知与情感功能。该方法结合侵入性皮层下与非侵入性表面神经生理学技术，为研究深部脑区活动模式与功能关系提供实时数据框架。

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本研究得到了德国ERA-NET NEURON/BMBF（TYMON）的资助。出版费用由杜塞尔多夫大学医院的资助项目承担。&#160;本研究所用的Flanker任务是在Prof. C. Beste及其团队最初编写的版本基础上修改而成47。

该DBS手术及侵入性记录已获得德国杜塞尔多夫大学医院伦理委员会的批准。
1. 实验范式设计与患者的知情同意
注意：设计一个实验范式，或选择一个现有的实验范式，以针对感兴趣的认知/情绪方面。
<ol>
	<li>选择将接受脑深部电刺激（DBS）治疗的患者。确认该DBS患者是否符合研究的纳入标准。如符合，请获取患者本人和/或伦理委员会（如适用）签署的知情同意书，以进行术后记录及相应认知范式的应用。 
	注意：术后记录在初次DBS手术后的次日进行，该手术用于植入DBS电极（并通过特殊导线将电极引出至头皮外），且在进行第二次手术永久植入DBS电极和刺激器之前完成。
	<ol>
		<li>在Flanker任务（示例1）中，需获得患有运动障碍疾病（例如亨廷顿病或帕金森病）的患者的书面知情同意，以开展术后记录。Flanker实验的目标是评估患者对错误行为的适应能力，并确定此类适应在皮层和皮层下水平的脑振荡活动中的反映方式。 
		注意：患者的选择取决于所要研究的认知机制及其具体疾病类型。在DBS-DOC案例示例（示例2）中，选择了一位38岁时因头部外伤导致意识障碍（DOC）的女性患者。由于该患者病情限制了其提供知情同意的能力，DBS治疗及实验参与仅由当地伦理委员会批准。DOC术后记录的主要目标是确定在如此严重的意识障碍患者中，与认知-情绪处理相关的大脑功能是否仍然保持完整。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>选择要呈现的刺激类型（听觉或视觉），确定刺激呈现顺序（分块设计或混合设计），并设定刺激持续时间、刺激间间隔（ISI）以及试验次数。
	<ol>
		<li>以Flanker任务为例（示例1，图1A），用于考察个体在发生反应错误后调整行为的能力。该任务包含视觉刺激（垂直排列的箭头符号）。</li>
		<li>用两个相邻箭头（位于目标箭头上下方）对目标刺激（中央箭头）进行 flank，这些 flank 箭头可指向相同方向（兼容条件）或相反方向（不兼容条件），同时需考虑停止试验（中央为圆形）。</li>
		<li>将目标刺激呈现在左侧或右侧，并要求受试者用左手或右手拇指按下相应反应键。在停止试验中，指示受试者不作反应。flanker刺激比目标刺激提前200毫秒呈现，目标刺激显示时间为300毫秒，反应-刺激间隔设为2,000毫秒（时间结束时以提示音提示）。本任务共呈现四个区块，每个区块包含120个刺激。兼容（60%）、不兼容（20%）和停止试验（20%）刺激随机呈现。 
		注意：选择此反应-刺激间隔值是为了避免运动功能障碍患者出现大量遗漏试验的情况。flanker与目标刺激同时关闭。要求患者尽可能快速地做出反应。 
		注意：在DBS-DOC案例示例（示例2，图1B）中，实验范式采用分块设计，包含中性非指向性语音和熟悉指向性语音刺激26。刺激持续时间设定为4秒（刺激间间隔随机设置为4至5秒）。该范式中每种条件共进行80次试验（图1B）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>考虑患者在术后环境下的身体限制和实际需求，特别是评估其是否能够正常使用计算机键盘，需注意是否存在明显的舞蹈样动作（如亨廷顿病）或震颤（如帕金森病）。
	<ol>
		<li>确保患者在整个实验过程中能够清晰看到显示器（因DBS手术期间使用的局部麻醉或立体定向头架可能导致面部及眼部周围肿胀），并能舒适地坐姿完成实验。若患者无法满足上述条件，则不应进行实验。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 术后皮层下局部场电位（LFPs）和表面脑电图（EEG）记录的设置
<ol>
	<li>在将要进行实验的房间内设置脑电图（EEG）设备（参见补充文件中的材料）。将记录用计算机连接至EEG系统。启动EEG记录软件（参见补充文件中的“材料”）。</li>
	<li>在EEG记录软件中点击“文件”，然后选择“新建工作区”，以定义工作区，具体设置如下：采样频率为5 kHz，高通滤波（DC）和低通滤波频率（1,000 Hz），根据国际10/20系统设置EEG通道（至少包括：额中央（Fz）、中央中央（Cz）、额极参考电极（Fpz）和接地电极（乳突）；根据实验范式还可额外包括顶中央（Pz）、枕中央（Oz）、颞区（T3/T4）、额内侧（F3/F4）、额外侧（F7/F8））（图2D），以及局部场电位（LFP）通道（LFPL 0、LFPL1、LFPL2、LFPL3（左侧半球，图2C）；LFPR0、LFPR1、LFPR2和LFPR3（右侧半球））。点击“监测”以确认所设定的通道已准备就绪用于记录。 
	注意：建议预先配置好工作区，以尽量缩短实验时间，并避免记录配置出现意外更改。建议确保获得最高的时间分辨率、正确的滤波设置、适当的采样率以及对目标通道的合理选择。</li>
	<li>通过将刺激计算机的并行端口连接至EEG系统来设置刺激计算机。启动刺激呈现软件。点击“运行”以在计算机显示器上检查实验范式的功能（视觉刺激）和/或通过扬声器检查（听觉刺激、声音提示）。在刺激呈现及受试者做出反应时，通过观察EEG记录软件上的信号，确认刺激计算机发出的标记（触发信号）已被记录系统正确接收。 
	注意：刺激设备发出的触发信号持续时间至少应为200 µsec，才能被EEG系统检测到（在5 kHz采样率下）。由于触发信号用于标记在特定时间点发生的事件相关活动或诱发电位，因此其功能对后续的数据分析至关重要。在DBS-DOC的案例示例（示例2）中，实验范式（图1B）包含听觉刺激（熟悉与不熟悉的声音），因此在每个刺激开始和结束时均设置了触发信号。在Flanker任务中（图1A），触发信号分别设置在以下三个时间点：1）干扰项和目标刺激出现时；2）患者做出反应时；3）提示音响起以告知患者反应时间已结束时。</li>
	<li>使用皮肤标记笔，并在经验丰富的神经科医生或EEG专家的指导下，将患者头部的顶点标记为鼻根与枕外隆突之间的中点。此外，根据10-20系统标记选定的EEG电极位置。在安放EEG表面电极前，先用异丙醇棉片清洁每个选定部位，随后使用研磨膏进行处理。 
	注意：此操作可能受到DBS患者头部敷料位置的限制。然而，经验丰富的神经科医生应能为每个电极/通道确定合适（近似）的位置。为确保良好接触，必要时应拨开毛发（如适用）。由于便于安放，可考虑使用自粘式电极并以医用胶带固定。</li>
	<li>将外置的DBS电极连接至经皮延长线。将经皮延长线连接至外部电缆连接器。根据EEG记录设置，将外部电缆连接器提供的每个电极连接至EEG控制盒。连接EEG头皮电极时，应先插入接地电极和参考电极。</li>
	<li>在指定肌肉部位安放肌电图（EMG）电极（参考电极和活动电极），安放前先用异丙醇棉片清洁皮肤区域。将EMG电极连接至EEG控制盒。 
	注意：此步骤为可选，主要用于实验范式包含运动任务时，或需要监测肌肉活动的情况（例如运动障碍患者）。</li>
	<li>点击“监测”以实时查看数据。通过检测是否存在抖动或叠加的高频成分，确认显示器上的EEG和EMG信号无伪迹干扰。请参考有关EEG信号记录中各类伪迹及其他相关因素的指导原则35，或在熟悉此类生理记录中常见干扰类型之前，向经验丰富的神经科医生或神经科学家寻求技术建议。 
	注意：此步骤对于确保离线数据分析时获得高质量信号至关重要。</li>
</ol>
3. 术后皮层下局部场电位（LFPs）和表面脑电图（EEG）活动的记录
<ol>
	<li>向患者提供操作说明。确保患者处于舒适状态，并告知其在感到任何不适时可随时终止实验。</li>
	<li>点击刺激软件上的“运行”按钮，使患者能够在显示器上看到实验范式和/或听到提示音和声音。对患者进行训练，直至其熟悉任务流程。在患者执行实验任务的同时，开始同步记录皮层下（LFP）和皮层（EEG）脑活动。 
	注意：以DBS-DOC病例示例（示例2）为例，实验范式采用组块设计的听觉刺激，如（图1B）所示。在Flanker任务中（图1A），每个组块内随机呈现三种视觉刺激条件（兼容条件占60%，不兼容条件占20%，停止试验占20%）（混合设计），每个组块包含120个刺激，整个范式共包含四个组块。任务完成后，数据将存储在记录计算机的硬盘中，供后续离线筛查和定量分析使用。</li>
</ol>
4. 数据分析
注意：使用脑电图分析软件的步骤：
<ol>
	<li>打开脑电图分析软件（参见补充文件中的“材料”部分），点击“新建”以通过指定文件夹路径（原始数据、历史记录和导出路径）及数据名称来可视化记录的数据。点击“编辑通道”以选择感兴趣的通道。如有必要，对通道进行重命名。</li>
	<li>点击“通道预处理”，然后点击“新建参考”以重新参考相邻的深部脑刺激（DBS）触点，从而为左右半球创建虚拟双极触点。重复此过程，为脑电图（EEG）通道创建虚拟导联组合。 
	注意：双极重参考导联组合对于最小化容积传导效应并提高记录信号的空间可靠性至关重要。以DBS-DOC案例示例（示例2）为例，设置的双极通道如下：DBS：LFPL01、LFPL12、LFPL23、LFPR01、LFPR12、LFPR23；EEG：Cz/Fz、Pz/Cz、Oz/Pz、T3/Cz 和 T4/Cz。需要特别强调的是，脑磁图（MEG）记录的信号无需参考，而脑电图（EEG）信号必须参考，以便在共同框架中设定真实且非任意的零值信号。现有的EEG参考系统包括：Cz或FPz参考、双耳电极平均参考、全通道平均参考、双侧或单侧乳突参考以及噪声参考。在数据分析过程中，可采用不同的重参考方式，例如在进行DBS与EEG信号之间时频耦合分析时，双极触点是合适的选择。</li>
	<li>点击“原始数据检查”以筛查与生理和设备相关的伪迹，重点关注运动抖动和设备干扰。标记出存在伪迹的信号片段。 
	注意：在同时记录头皮活动和通过外置DBS导线记录皮层下活动时，EEG对噪声伪迹的鲁棒性优于MEG等技术，目前针对MEG的研究正致力于提高信噪比。由于运动障碍患者常出现舞蹈样动作和震颤等不自主运动，因此在记录信号中可能出现运动抖动伪迹，需予以考虑。其他干扰源包括眨眼和设备相关伪迹。以DBS-DOC案例示例（示例2）为例，伪迹检查通过视觉检查完成，并手动标记伪迹。不建议仅依赖自动伪迹检测模式，因为某些伪迹可能无法被预设标准识别。</li>
	<li>点击“数据滤波”，然后点击“IIR滤波器”以设置陷波滤波器：50 Hz（用于处理电源线伪迹），并通过设定高低截止参数来配置巴特沃斯零相位滤波器。点击“更改采样率”以将记录信号下采样至指定频率，并指定插值类型。
	<ol>
		<li>在DBS-DOC示例中，设置低截止频率：1.0000 Hz，时间常数：0.1592 s，斜率：48 dB/倍频程；高截止频率：80.0000 Hz，时间常数：0.1592 秒，斜率：48 dB/倍频程，并使用样条插值将采样频率下采样至512 Hz。 
		注意：可选地，可基于知名开源工具包（如FieldTrip（http://www.fieldtriptoolbox.org/）、EEGLab（http://sccn.ucsd.edu/eeglab/）和SPM8（http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm8/））编写自定义脚本进行滤波。对于FieldTrip，示例脚本可在（http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/preprocessing）中获取。其他工具包也提供详细的文档以完成此步骤。 
		注意：在任何阶段进行下采样都将根据奈奎斯特采样定理限制可用于后续分析的频率范围。考虑到DBS-DOC案例示例，当分析频带上限为80 Hz时，选择512 Hz的采样频率是合适的。 
		注意：也可基于知名开源工具包（如FieldTrip（http://www.fieldtripbox.org）、EEGLab（http://sccn.ucsd.edu/eeglab）和SPM8（http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm8/））编写自定义脚本进行下采样。对于FieldTrip，提供了脚本示例（http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/preprocessing）。其他工具包也提供相关文档以完成此步骤。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>通过点击“导出”然后选择“通用数据”来导出感兴趣的双极通道。通过点击“导出”然后选择“标记”来导出数据标记（触发信号）。选择“txt”格式并命名待导出的文件。 
	注意：为了在后续步骤中使用FieldTrip工具箱，建议以（.txt）多路复用格式导出通道，并建议包含一个包含导出通道信息的“vmrk”文件。同时建议以（.txt）格式导出标记，且可选择跳过在步骤4中选定的不良区间对应的标记。</li>
</ol>
注意：使用 Fieldtrip 的步骤：
<ol start="6">
	<li>启动 MATLAB，点击“set path”以添加 Fieldtrip 文件夹的路径（如果默认未完成此操作）。</li>
	<li>运行（<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53466/Script1.m">补充文件 Script 1</a>），将先前预处理的数据和标记整理为与 Fieldtrip 函数兼容的元胞数组结构，并确保指定以下内容：包含第7步中 EEG 和 LFP 文件的目录、通道名称、采样频率、采样时间、试验段。可选：通过“取消注释”指定代码执行伪迹剔除。该脚本会将数据保存为指定文件，供后续步骤使用。</li>
	<li>运行（<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53466/Script2.m">补充文件 Script 2</a>）计算目标通道的 LFP 频谱功率，并确保指定以下参数：包含（Script 1）生成文件的目录、计算方法（小波变换或 mtmconvol）、时间窗宽度、感兴趣频率（foi）、感兴趣时间区间（toi），以及频率基线校正（可选）。定义统计分析类型及所需的 p 值。 
	注意：在 DBS-DOC 案例示例（示例2）中，采用刺激锁定的小波时频分析（Morlet 小波，宽度 = 5），结合 Hanning 窗，频率范围为 4–80 Hz，时间区间为 -1 至 4 秒。由于小波在时间和频率上具有可变分辨率，选择小波时需权衡时间分辨率与频谱分辨率。Morlet 小波具有高斯核加权的正弦波形，可有效捕捉时间序列中的局部振荡成分。减小宽度参数可提高时间分辨率但降低频率分辨率，反之亦然。在给定频率 F 下，频谱带宽等于 F/width × 2（例如 F = 40 Hz，width = 5 时，频谱带宽为 16 Hz），小波持续时间为 width/F/π（例如 F = 40 Hz，width = 5 时，小波持续时间为 39.8 毫秒）。采用基于聚类（时间与频率变量）的随机化方法进行条件间统计分析（双侧检验，p 值水平为 0.05）39。有关此步骤输出结果的示例，请参见 图4A 和 图4D。时频响应分析基于开源软件 Fieldtrip（http://www.fieldtriptoolbox.org/）定制脚本完成。有关如何定制脚本实现此步骤的详细信息，请访问 http://www.fieldtriptoolbox.org/reference/ft_freqanalysis。</li>
	<li>运行（<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53466/Script3.m">补充文件 Script 3</a>）计算皮层下与皮层信号之间的相干性，并确保指定以下参数：片段长度、重叠百分比、感兴趣频率。对于统计分析，需指定分析类型及所需的 p 值。 
	注意：相干性分析用于衡量两个时间序列之间振幅比恒定的线性关系40。在 DBS-DOC 案例示例（示例2）中，采用长度为 1 秒、重叠 50% 的片段，重点分析 1 至 25 Hz 频率区间内的相干性。采用基于聚类（时间与频率变量）的随机化方法进行被试内相干性分析（双侧检验，p 值水平为 0.05）41。此外，还计算了相干性的虚部42。 
	相干性分析脚本的定制基本步骤详见（http://www.fieldtriptoolbox.org/tutorial/coherence）。有关此步骤输出结果的示例，请参见 图4B。</li>
	<li>运行参考文献43中提供的补充文件软件实现，计算跨频率相位-幅值耦合（PAC）。 
	注意：在 DBS-DOC 案例示例（示例2）中，基于不同双极通道组合，利用完整的无伪迹记录计算跨频率 PAC。特别地，优先采用归一化直接 PAC（ndPAC）43，因其可在不同统计水平上确定显著耦合，并将非显著耦合设为零（p 值水平：0.1）。由此可根据显著性选择相位和幅值耦合的频率范围。在 DBS-DOC 案例中，相位频率范围为 3–22 Hz，幅值频率范围为 35–80 Hz。用于 PAC 分析的 LFP-EEG 通道为 LFPR23 和 EEGFzPz，选择依据为第 5.5 步的相干性分析结果。有关此步骤输出结果的示例，请参见 图4C。</li>
</ol>
<img alt="Flanker 任务示意图，包含刺激；言语试验序列，显示持续时间与刺激间间隔。" src="/files/ftp_upload/53466/53466fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 1"> 
图1：实验范式示例。 (A)（示例1）Flanker 任务：中心的目标刺激（箭头）上下各有两个相邻箭头作为干扰刺激，其指向与目标刺激相同（兼容条件）或相反（不兼容条件）；此外也包含停止试验（中心为圆形）。当目标箭头指向左侧或右侧时，受试者需分别用左手或右手拇指按下反应键；在停止试验中，受试者被要求不做出任何反应。此处使用的 Flanker 任务是在 Prof. C. Beste 及其团队最初编程版本的基础上修改而成（详见致谢部分）。(B)（示例2）在 DBS-DOC 病例示例中使用的情绪-认知言语范式。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53466/53466fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

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</ol>

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

与头皮脑电图（scalp-EEG）和脑磁图（MEG）等非侵入性脑记录技术相比，所提出的侵入性与非侵入性神经生理记录相结合的框架为提取与认知-情绪任务相关的皮层及皮层下区域信息提供了显著机会。此类信息通过与脑功能相关的多个频段和不同组织层次上的脑振荡活动得以体现44。在本记录框架中相关的脑振荡模式包括：皮层下振荡活动（局部场电位，LFPs）、特定频段上皮层与皮层下区域活动之间线性相关性变化所反映的皮层-皮层下相干性变化、皮层下相位-幅度耦合（PAC）以及相位-相位耦合（PPC）。尤其值得注意的是，PAC和PPC的重要性在于，不同频段振荡之间的关系与相互作用已被证明有助于理解脑功能。在PAC中，低频振荡的相位与高频振荡的功率相关，从而导致快速节律的幅度包络与慢速节律的相位同步。PPC则表示高频振荡的n个周期与低频振荡的m个周期之间存在的与幅度无关的相位锁定45。以DBS-DOC案例为例（示例2），针对熟悉称呼语音条件下的皮层/皮层下记录数据分析显示，中央丘脑内β和θ频段的振荡活动出现调制，同时θ频段丘脑-皮层相干性增强。此外，丘脑局部还表现出明显的θ相位-γ幅度...

人类侵入性神经生理记录可追溯到早期针对癫痫手术和肿瘤研究期间从大脑皮层区域及小脑获取脑皮层电图记录的开创性研究1。此类记录技术进一步发展的关键里程碑是立体定向技术的引入，该技术可安全高效地进入人脑深部结构2。除临床治疗外，人类脑部侵入性方法为研究大脑功能与外部刺激调节下的记录活动模式之间的关系提供了极为独特的机会，特别是在接受深部脑刺激（DBS）手术的患者中进行的术中和术后侵入性记录。DBS 的适用性和有效性已在多种神经疾病和神经精神疾病中得到探讨，包括从帕金森病（PD）到强迫症（OCD），以及慢性意识障碍（DOC）等病症。
特别是，脑深部电刺激（DBS）已应用于帕金森病3,4,5、原发性震颤6、原发性/全身性节段性肌张力障碍7,8,9、亨廷顿病10,11、难治性抑郁症12,13、尼古丁和酒精成瘾14、阿尔茨海默病15,16、抽动秽语综合征17以及慢性意识障碍（DOC）18,19,20的治疗。
在神经精神病学领域，脑深部电刺激（DBS）已被批准/获得CE认证，用于治疗以终末内囊前肢（ALIC）为靶点的强迫症（OCD），同时也正在研究以腹侧内囊/腹侧纹状体/腹侧尾状核（VC/VS）、伏隔核（Nac）和丘脑底核（STN）为靶点的治疗应用21。关于DBS治疗OCD22，近期研究通过基于记忆的实验范式，强调了STN在强迫性检查行为机制中的作用23,24,25。
值得注意的是，已有研究强调，在具有认知和情绪内涵的范式影响下，意识障碍（DOC）患者的大脑活动可被调节26,27,28,29。因此，脑深部电刺激（DBS）不仅被视为治疗慢性意识障碍的潜在疗法，同时也是一种临床手段，可通过术中及术后记录中央丘脑区域的局部场电位（LFP），为研究皮层下活动的调节机制提供可能。
在脑深部电刺激（DBS）中，神经外科电极植入基于立体定向技术，该技术可安全地考虑脑部解剖结构的限制，同时通过术中脉冲刺激测试对患者的刺激参数进行个性化设置。在初次植入DBS电极后、脉冲发生器植入体内之前，可进行术后局部场电位（LFP）记录。本方案特别聚焦于术后记录过程。
结合局部场电位（LFPs），可通过无创的脑电图（EEG）或脑磁图（MEG）同时记录大脑皮层活动30,31。这两种无创方法因其出色的时间分辨率而得到支持。尽管MEG受颅骨影响的程度小于EEG32，但EEG具有优势，因其受金属植入物和头部运动引起的伪影影响较小，并且可在患者床旁使用33。通过在施加情绪-认知范式时同步记录皮层-皮层下脑活动（LFP与EEG/MEG），可基于时频耦合分析建立脑振荡与行为之间的多种关系34。此类模式有望成为反映患者个体化认知与情绪状态的潜在生物标志物，并有助于根据个体化设置优化治疗参数。
以下方案旨在针对人类认知与情绪功能的评估，开展侵入性和非侵入性神经生理记录，重点关注皮层及皮层下水平（脑电图和局部场电位）。
首先，本方案所附视频中展示的神经生理记录步骤，对应于一名运动障碍患者执行所谓侧翼任务（示例1）时的记录情况。
其次，通过聚焦分析方法学并结合已发表的慢性DOC研究中干血斑（DBS）实例（示例2）的样本结果，讨论实验方案中的各个步骤26。
这两个示例凸显了所提出的方案在应用于不同疾病及多种实验范式的DBS治疗患者时的适用性。

<table><tbody><tr><td>BrainAmp 放大器</td><td>Brain Products GmbH，德国吉尔兴</td><td></td><td>数量：2</td></tr><tr><td>BrainVision Recorder 软件</td><td>Brain Products GmbH，Gilching，德国</td><td></td><td>1 个许可证&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>BrainVision Analyzer 软件&amp;nbsp;</td><td>Brain Products GmbH，德国吉尔兴</td><td></td><td>1 个许可证&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>光纤电缆和USB连接器</td><td>Brain Products GmbH，Gilching，德国</td><td></td><td>这些随附上述所列设备</td></tr><tr><td>电极输入框（64通道）</td><td>Brain Products GmbH，Gilching，德国</td><td></td><td>数量：1</td></tr><tr><td>脑电图凝胶&amp;nbsp;</td><td>Natus 公司</td><td></td><td>数量：1</td></tr><tr><td>异丙醇</td><td>Sch&amp;uuml;lke &amp;amp; Mayr GmbH，德国</td><td></td><td>数量：1</td></tr><tr><td>皮肤准备凝胶</td><td>Weaver and Co，美国</td><td></td><td>数量：1</td></tr><tr><td>MATLAB&amp;nbsp;&amp;nbsp;</td><td>Math-Works，美国马萨诸塞州纳蒂克</td><td></td><td>1 个许可证</td></tr><tr><td>FieldTrip 工具箱</td><td>http://www.fieldtriptoolbox.org/</td><td></td><td>开源</td></tr><tr><td>宏电极（型号 3387 四极 DBS 电极）</td><td>美敦力公司，明尼阿波利斯，明尼苏达州，美国</td><td></td><td>数量：2</td></tr><tr><td>无菌经皮延长导丝（型号 3550-05）&amp;nbsp;</td><td>美敦力公司，美国明尼苏达州明尼阿波利斯</td><td></td><td>数量：2</td></tr><tr><td>扭锁电缆（型号 3550-03）&amp;nbsp;</td><td>美敦力公司，美国明尼苏达州明尼阿波利斯</td><td></td><td>数量：2</td></tr><tr><td>定制连接器转DIN 428029防触电连接器</td><td></td><td></td><td>数量：2</td></tr><tr><td>Vercise 电极套件 DB -2201&amp;nbsp;</td><td>波士顿科学公司</td><td></td><td>数量：2</td></tr><tr><td>接触延伸套件 NM-3138&amp;nbsp;</td><td>波士顿科学公司</td><td></td><td>数量：2</td></tr><tr><td>O.R. cabel &amp;amp; 延伸模块 SC-4100 A&amp;nbsp;</td><td>波士顿科学公司</td><td></td><td>数量：2</td></tr><tr><td>连接器&amp;nbsp;防触碰&amp;nbsp;</td><td>Twente Medical Systems International B.V.</td><td></td><td>数量：2</td></tr><tr><td>CT 扫描仪型号 PQ2000（术后 CT 扫描）</td><td>飞利浦医疗保健有限公司汉堡分公司</td><td></td><td>数量：1</td></tr><tr><td>演示软件（Flanker任务）</td><td>Neurobehavioral Systems 公司</td><td></td><td>1 个许可证&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>MEG 系统</td><td>Elekta Neuromag 公司</td><td></td><td>或者</td></tr><tr><td>高密度脑电图传感器网（128 或 256 通道）</td><td>美国 Electrical Geodesics Inc (EGI)</td><td></td><td>或者</td></tr></tbody></table>

联合侵入性皮层下与非侵入性头皮神经生理记录评估人类认知与情绪功能

Combined Invasive Subcortical and Non-invasive Surface Neurophysiological Recordings for the Assessment of Cognitive and Emotional Functions in Humans

尽管非侵入性脑电图（EEG）、脑磁图（MEG）和功能性磁共振成像（fMRI）在提取人类大脑机制的关键信息方面已取得成功，但这些方法仍不足以提供反映皮层下水平认知与情绪功能的生理过程信息。在此背景下，现代人类临床侵入性技术（如深部脑刺激（DBS））为记录皮层下脑活动——即来自基底神经节或丘脑局部区域的神经元集合协同活动所形成的局部场电位（LFPs）——提供了巨大可能性。尽管人类的侵入性方法仅在具有明确医学指征时才得以应用，因而所记录的数据对应于已改变的脑回路，但这些数据仍可为理解完整脑功能的存在、脑振荡活动以及在实验性认知范式下疾病病理生理机制提供宝贵见解。目前，越来越多针对帕金森病（PD）患者的DBS研究不仅关注运动功能，还涉及情绪、决策、注意力、记忆和感觉知觉等高级认知过程。近期的临床试验也强调了DBS作为治疗从强迫症（OCD）到慢性意识障碍（DOC）等多种神经精神疾病替代疗法的重要作用。因此，本研究聚焦于结合侵入性（LFP）与非侵入性（EEG）人脑记录技术，通过实验范式（e.g. 具有情绪色彩的言语刺激或Flanker任务等认知控制范式），评估接受DBS治疗患者中皮层-皮层下结构在认知与情绪加工中的作用。

对于DBS-DOC病例（示例2），我们现在提供有关DBS植入靶点定位的数据、LFP电极和EEG装置的示意图、EEG和LFP活动的示例记录（原始数据）以及代表性分析结果：
图2A显示了计划的穿刺路径（黑线）投影在解剖图谱36第30冠状切面上，位于前连合（AC）后方10.7 mm处（红线：AC-PC平面）。红色圆圈标记了目标区域的最下部15 mm范围（图谱网格大小：10 mm），其中iml表示丘脑内髓板，Rt表示丘脑网状核。VA = 丘脑腹前核，AV = 丘脑前腹核，AM = 丘脑前内侧核，Fa = 束状核，IthA = 丘脑间粘合。
图2B 显示了在三维图谱上可视化显示的中央丘脑最终电极位置37。在将三维图谱与CT扫描通过图...

本实验方案旨在通过同步记录局部场电位和非侵入性脑皮层活动（EEG），评估基底神经节的认知-情绪功能。本方案以包含具有情绪色彩言语刺激的实验范式或涉及认知控制的Flanker任务为例进行说明。

尽管在应用无创脑电图（EEG）、脑磁图（MEG）和功能磁共振成像……方面已取得成功

本实验的总体目标是通过同步记录深部和表层神经元信号，评估相互关联的脑区结构在认知与情绪功能中的作用。该方法有助于回答人类神经生理学领域的一些关键问题，例如，脑活动模式与脑功能之间的关系，尤其是针对位置较深、难以触及的脑区。该技术的主要优势在于，利用接受深部脑刺激的患者框架，在人类执行认知和情绪任务期间获取皮层和皮层下结构的实时信息。本节中的记录步骤聚焦于一名患有运动障碍的患者执行冲突任务（flanker task）的过程。然而，下一节中的分析步骤则聚焦于一名意识障碍慢性期患者在聆听认知-情绪言语范式时的情况。首先在测试室内安装脑电图（EEG）设备。将记录用计算机连接到 EEG 系统，并启动 EEG 记录软件。点击“文件”，然后选择“新建工作区”，在 EEG 记录软件中定义工作区，设置采样频率为 5 千赫兹，设定低通和高通滤波频率，根据国际 10-20 系统配置 EEG 通道，以及局部场电位（LFP）通道。单击“监视器”以确认指定通道现已设置为记录状态。接下来，设置刺激计算机并检查其与脑电系统并行端口的连接。启动刺激软件。单击“运行”，在计算机显示器上检查实验范式的功能。通过在呈现刺激以及受试者反应期间，观察脑电图记录软件中是否出现来自刺激计算机的触发信号，以确保触发信号已发送至记录系统。使用皮肤标记笔将患者头部的顶点标记为鼻根与枕外隆凸之间连线的中点。然后，根据10-20系统标记选定的脑电图（EEG）电极位置。使用异丙醇棉片和研磨膏清洁每个选定部位，随后将脑电图表面电极固定在头皮上。或者，根据空间限制，可使用多通道脑电图（EEG）网。另一种评估大脑表层活动的高端方法是脑磁图（magnetoencephalography，MEG）。将深部脑刺激（deep brain stimulation，DBS）电极的经皮延长导线连接至外部导线连接器。根据脑电图记录设置，将外部电缆连接器提供的每个电极连接到脑电图控制箱。将脑电图头皮电极连接至脑电图控制箱。接下来，向患者提供有关侧翼任务的指导说明。确保患者处于舒适状态，并告知其若感到不适可随时终止实验。点击刺激软件上的“运行”按钮，使患者能够在显示器上看到实验范式。对患者进行训练，直至其熟悉并适应该任务为止。最后，在患者执行Flanker任务的同时，开始记录皮层下局部场电位（LFP）和皮层脑电图（EEG）脑活动。首先打开EEG分析软件，点击“新建”，通过指定文件夹路径和数据名称，以可视化情绪认知言语范式中记录的数据。单击“编辑通道”以选择感兴趣的通道。然后，单击“通道预处理”，再选择“新建参考”，以重新参考相邻的脑深部刺激（DBS）触点，从而为左右半球创建虚拟双极导联。单击“原始数据检查”，以筛查与生理因素和设备相关的伪迹，重点关注运动抖动和设备干扰。标记存在伪迹的片段。接着，点击数据滤波，然后选择IIR滤波器，设定陷波滤波

combined-invasive-subcortical-non-invasive-surface-neurophysiological

Research

科研

JoVE Journal

Behavior

行为

在人类联合微创皮层下和非侵入性的表面神经生理学录音认知的评估和情感作用

我们介绍一种从接受有创癫痫监测的患者中采集皮层脑电图信号以用于研究目的的方法。我们展示了如何使用BCI2000软件平台进行数据采集、信号处理和刺激呈现。具体而言，我们演示了SIGFRIED——一种基于BCI2000的实时功能性脑图谱绘制工具。...

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

本视频展示了在基于注意力的视觉刺激测试期间，使用脑电图（EEG）和深部脑刺激（DBS）电极记录皮层和皮层下神经元活动的过程。...

使用电极系统记录皮层与皮下神经元活动

植入颅内电极的患者为在患者执行行为任务时记录大脑多个区域的神经生理数据提供了独特的机会。本文介绍了一种可在其他具备此类患者资源的机构中重复实施的、针对植入电极患者的记录方法。...

对植入颅内电极的受试者进行行为任务测试

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。...

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

本研究介绍了在乌拉坦麻醉条件下对超直接通路进行多部位体内电生理记录的方法学。...

急性麻醉大鼠超直接通路局部场电位与多单元活动的体内电生理记录

本文介绍了一种脑电图-功能磁共振成像（EEG-fMRI）多模态成像方法，即时空fMRI约束的脑电图源成像方法。该方法采用条件激活的功能磁共振成像子图（或先验信息），以提高脑电图源定位的空间特异性，并减少错误结果。...

同步脑电图与功能磁共振成像记录及整合分析用于动态皮层活动成像

我们设计了一种非侵入性、可变形且可重复使用的干式16通道脑电图（EEG）传感器。本文详细描述了从制造所提出的干式非侵入性多通道EEG电极，到在小鼠头皮上采集视觉诱发电位（VEP）信号并进行信号处理的完整过程。...

使用干式无创多通道头皮脑电传感器在小鼠中记录视觉诱发电位

本研究介绍了一种同步记录自由活动大鼠脑部局部场电位、心电图、肌电图和呼吸信号的方法。该技术可降低实验成本并简化数据分析，有助于深入理解大脑与外周器官之间的相互作用。...

自由活动大鼠皮层局部场电位、心电图、肌电图与呼吸节律的同步记录

本文介绍了一种在小型猪模型中对柔性硬膜下电极阵列进行长期性能与安全性评估的方法，详细描述了手术方法与工具、术后磁共振成像、听觉皮层的电生理学特性、植入物的电化学特性以及死后免疫组织化学分析。...

皮层下柔性脑皮层电图（ECoG）阵列植入及小型猪长期皮层记录

本研究提出了一种可在猪模型中进行重复慢性皮层记录的可扩展、可靠且可重复的方法。该方法适用于神经科学的多个领域，包括疼痛研究和神经系统疾病诊断。...

用于猪麻醉期间重复皮层记录的慢性颅窗技术

本文介绍了在大鼠和小鼠中进行高密度微电皮层记录（µEcoG）的两种方案，包括手术、植入和记录方法。µEcoG记录分别与大鼠听觉皮层的层状多通道电极记录或小鼠体感皮层的光遗传学神经活动操控相结合进行。...

通过整合层状多通道电极、光遗传学与微阵列皮层电图在啮齿类动物中进行皮层处理的多尺度研究

学习通过同步记录局部场电位和脑电图来评估基底神经节的认知与情感功能。该方法结合侵入性皮层下与非侵入性表面神经生理学技术，为研究深部脑区活动模式与功能关系提供实时数据框架。

联合侵入性皮层下与非侵入性头皮神经生理记录评估人类认知与情绪功能

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