Name: Aufnahme Menschliche Electrocorticographic (ECoG) Signale für neurowissenschaftliche Forschung und Real-time Funktionelle kortikale Mapping (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-06-26T13:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 32 s
Description: Erfahren Sie die Erfassung von ECoG-Signalen bei Epilepsiepatienten mit BCI2000 für Echtzeit-funktionelles Mapping. Diese Methode nutzt High-Gamma-Frequenzen und Neuheitsdetektion zur Identifikation kortikaler Aktivierungsbereiche.

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Diese Arbeit wurde ermöglicht durch Zuschüsse von der US Army Research Office (W911NF-07-1-0415 (GS), W911NF-08-1-0216 (GS)) und der NIH / NIBIB (EB006356 (GS) und EB00856 unterstützt ( JRW und GS)). Die Autoren danken Sean Austin für die SigfriedSigProcLAVA Modul, und Griffin Milsap für technische Hilfe.

1. Elektroden-Lokalisierung <ol><li> Sammeln Sie eine präoperative T1-gewichteten MRT-strukturellen (1.5T oder 3T) von dem Kopf des Patienten: 256 x 256 Pixel pro Scheibe, volles Sehfeld, keine Interpolation, 1 mm Schnittbreite, vorzugsweise sagittalen Querschnitten. </li><li> Beachten Sie die chirurgische Implantation der Netze und Bänder. Sammeln Sie digitale Fotos von den Elektroden in situ, und dem Neurochirurgen die Hinweise zu den Standorten der implantierten Netze und Bänder. </li><li> Sammeln Sie die post-operative Schädel Röntgenbilder und CT-Scans des Gehirns mit hoher Auflösung (1 mm Schnittbreite, Haut an Haut, kein Winkel). </li><li> Erstellen Sie ein dreidimensionales Modell der kortikalen das Gehirn des Patienten mit der präoperativen MRT, und Co-registrieren Sie es mit den Post-Raster Implantation CT-Bildern. Wir verwenden die CURRY-Software-Paket für diesen Zweck, und exportieren Sie die 3D-Struktur und kortikale Elektrode Koordinaten in MATLAB-Format. Von MATLAB, exportieren wir einen Film, der die Elektroden auf das Gehirn abgebildet zeigt. Wir map koordiniert die Elektrode zu Standard-Brodmann Bereiche mit Hilfe eines automatisierten Talairach Atlas. </li><li> Überprüfen Sie die Informationen aus dem 3D-Modell-, Röntgen-Bildern, Fotografien und Notizen. Finalize ein Nummerierungsschema für die Elektroden, und die Arbeit mit den Krankenhaus-Techniker, um sicherzustellen, dass die Elektroden in den Verteiler werden im Anschluss an diese Nummerierung genau gepatcht. Auch eine schematische Darstellung zur Darstellung der Elektroden in zwei Dimensionen, so dass alle die Elektrodenpositionen eindeutig ohne Überlappung zu unterscheiden. Wenn Sie vorhaben, Sigfried (siehe Abschnitt 4) ausgeführt werden, speichern Sie diese zweidimensionalen Koordinaten als Parameter BCI2000 Fragment, in dem von der ElectrodeLocations Parameter erforderlich. Wählen Sie schließlich zwei Elektroden-Standorten, die wahrscheinlich electrocorticographically sind &quot;stille&quot;, dh sie sind nicht in der Nähe der vermuteten eloquent Kortex, um als ersten Grund-und Referenz verwenden (Vorbereitung der g.USBamps durch Patchen der Verweis auf die blauen Buchsen, und Bodenzu den gelben Sockel, am äußersten rechten Rand jeder Einheit). </li></ol> 2. Hardware-und Software-Setup <ol><li> Sicherstellen, dass die Spezifikationen für Computer ausreichend für den Umgang mit Anforderungen an die Verarbeitung des Experiments sind. Ein Multi-Core-Prozessor wird wahrscheinlich notwendig sein, um den Anforderungen von Echtzeit-Datenerfassung und-verarbeitung, Video-Aufzeichnung, und andere notwendige Aufgaben unterzubringen. Für die Aufzeichnung und Echtzeit-Analyse von 128 Kanälen bei 1200 Hz, verwenden wir ein 3-GHz-Quad-Core-Maschine mit 4 GB RAM. Die Verstärker sollte auf einen speziellen USB-Controller, die sich von der Steuerung (en) durch andere bandbreitenintensive Peripheriegeräte wie externe Festplatten und Kameras (dies kann über das System den Geräte-Manager überprüft werden) verwendet angeschlossen werden. Schließlich muss genügend Speicherplatz zum Speichern von bis zu 5 MB pro Sekunde von experimentellen Daten, und ein System zur Archivierung und Backup zu sein. </li><li> Richten Sie die Forschungs-Geräte (Verstärker, Computer, Bildschirm Experimentators, DetailtagebuchARD, Lautsprecher, Mikrofon und Kamera) auf einem einzigen Wagen, der schnell ausgerollt werden können, in die und aus der Zimmer des Patienten, mit nur einem einzigen Stromkabel in der Wand stecken. Um den Computer von Raum zu Raum zu bewegen, verwenden Sie die Hibernate-Funktion, bevor Sie. Der Patient Bildschirm sollte auf einer separaten Tablett Tisch oder Monitor Arm sein. In Anbetracht, dass der Patient anfällig für Anfälle ist, stellen Sie sicher, dass alle Geräte aus der Art und Weise kann schnell ausgerollt werden für den Fall das medizinische Personal sofort Zugriff auf die Patienten brauchen. Die Ausrüstung sollte auch mit antiseptischen Tüchern vor und nach Gebrauch in Zimmer des Patienten desinfiziert werden. </li><li> Zeit mit dem Patienten ist begrenzt, und alle Verfahren müssen robust und optimiert, um bestmögliche Nutzung der damaligen Zeit zu machen. In dieser Hinsicht sind die Flexibilität und Robustheit BCI2000 unschätzbare Eigenschaften. Stellen Sie sicher, dass die Experimente an der Knopfdruck gestartet werden kann. Im Falle von BCI2000, verwenden Sie eine Batch-Datei, um die richtige Kombination aus startenBCI2000 Module automatisch mit den benötigten Kommandozeilen-Optionen. Der Betreiber und gUSBampSource Module benötigt werden, zusammen mit der entsprechenden Signalverarbeitung und Programm-Module für Ihre speziellen Experiment. Verwendung BCI2000 der Betreiber Skriptfunktion, um sicherzustellen, dass alle erforderlichen Parameter-Dateien automatisch einschließlich der, die spezifisch für diese Patienten sind, wie die Anzahl der Elektroden und ihre Namen und Positionen geladen werden. Der Zweck dieser Automatisierung ist die Anzahl der manuellen Schritte vom Versuchsleiter, und somit die Möglichkeiten für Fehler zu minimieren. Die Software und die Parameter müssen abgeschlossen und getestet (vielleicht mit einem EEG Sachgebiet) mindestens ein bis zwei Wochen vor der Implantation. Es ist auch sehr ratsam, zur Durchführung einer &quot;trocken&quot; laufen am Tag vor dem ersten experimentellen Sitzung, einschließlich aller neuen Patienten-spezifischen Parametern. </li></ol> 3. Experimentelle Session Set-up <ol><li> Wählen Sie Ihre Zeit fürdarauf hindeutet, experimentelle Aufnahmen für den Patienten, indem sie ihnen bemerken früher am Tag, und wieder 15 Minuten, bevor Sie beginnen. Die Arbeiten rund um Besucher, Mahlzeiten, Nickerchen, medizinische Verfahren, und der Patient die körperlichen, emotionalen und kognitiven Zustand. Es ist wichtig, um eine Beziehung mit dem medizinischen Personal auf dem Boden zu schaffen, die bei der Optimierung der Zeitpunkt und die Dauer der Aufnahmen zu helfen. </li><li> Rad das Gerät in Position, an die Steckdose anschließen, auf der Versuchsperson Bildschirm drehen und verbinden Sie es mit dem Computer, und un-Ruhezustand des Computers. </li><li> Starten Sie BCI2000. Mit der VisualizeSource Parameter aktiviert, drücken Sie Set Config. Das Signal-Viewer öffnet, so dass Sie beurteilen die ECoG Signalqualität. Auf den Betrachter mit der rechten Maustaste klicken und stellen Sie den Hochpassfilter zu einem 5 Hz Grenzfrequenz. (Dieser Filter Einstellung wirkt sich nur auf Visualisierungen, und nicht Sammlung von Daten.) </li><li> Prüfen Sie auf Interferenzen von Stromleitung Lärm: Hat die Aktivierung eines Notch-Filter im Viewer (bei 50 Hz oder 60 Hz,je nachdem, welches Land Sie sich befinden) machen einen großen Unterschied zu dem Signal? Wenn ja, versuchen Sie dies, indem Sie nicht verwendete Übersprechen Kabel, oder die Ermittlung und Beseitigung andere Stromquellen Störungen zu reduzieren. Ändern Sie die Elektroden für Referenz-und Boden bei Bedarf verwendet. </li><li> Wenn Sie mit einem Eye-Tracker sind, kalibrieren Sie es mit der Kalibrierungs-Software vom Hersteller zur Verfügung. Die BCI2000 Quelle Modul sollte mit der Erweiterung einbezogen EyetrackerLogger kompiliert werden, und sollte mit der gestartet werden - LogEyetracker = 1 Flag aktiviert, so dass Eye-Tracking-Daten synchron mit der ECOG-Signale erfasst werden. </li><li> Um Ablenkungen und Unterbrechungen zu vermeiden, und um mögliche Störungen zu minimieren Signal, sicherzustellen, dass Fernsehgeräte, Radios und Handys ausgeschaltet sind. </li><li> Gib genaue Anweisungen für den Patienten für das Experiment Sie sich über zu laufen. Je nach Thema hat die Aufgabe, Powerpoint-Folien vorbereitet, die die Aufgabe zu zeigen, kann die vorgeschlagene Körperhaltung, etc., als nützlich erweisen. </li&gt; <li> Drücken Sie auf Start auf dem Operator, um das Experiment zu starten. Jedes Mal, wenn Sie beginnen oder fortsetzen, wird eine neue Datei erstellt, um nicht zu überschreiben vorherigen Daten werden, und die Datei wird mit einer Kopie aller Parameter-Werte initialisiert werden. Die Rohdaten werden dann automatisch gestreamt werden, um die Datei zusammen mit Event Marker, bis Sie Suspend oder die experimentellen Lauf beendet drücken. </li><li> Während der Sitzung, überwachen das Verhalten des Patienten und der ECOG-Signale bei Verdacht auf Krampfanfälle, und bereit sein, Anweisungen von medizinischem Personal zu reagieren. </li></ol> 4. Beispiel Experimental Session: Sigfried Klinische Mapping mit BCI2000 <ol><li> Vorbereitung: Bevor die Sitzung beginnt, müssen Sie bereitete einen model.ini Datei, die die Signalverarbeitungs-Einstellungen Sigfried verwenden, um ein Modell zu bauen wird enthält haben, und ein PRM-Datei (oder getrennte Fragmente PRM.) Mit den Parametern, die BCI2000. das Modul SigfriedSigProcwird für Echtzeit-Visualisierung nutzen. Zwei wichtige Parameter sind ElectrodeLocations, unter Angabe der 2-D-Layout, das Sie für dieses Patienten insbesondere Elektroden und ElectrodeCondition, die die verschiedenen Aufgaben, unter welchen Bedingungen abgebildet wird spezifiziert gewählt haben. In diesem Beispiel verwenden wir die einfache StimulusPresentation Modul zum Kommunizieren Anweisungen an den Patienten, so dass die Impulse Parameter muss auch die Aufgaben ausführen wollen wir angepasst werden. </li><li> Baseline Schritt: Start der gUSBampSource, DummySignalProcessing und StimulusPresentationTask Modulen konfiguriert Probe ECoG Aktivität aus allen Netzen und Streifen bei 1200Hz, bei 0,1 Hz High-Pass-gefiltert. Weisen Sie den Betreff zu entspannen und bleiben regungslos mit offenen Augen. Rekord 6 Minuten der Baseline-Aktivität, unter komfortable Beleuchtung in einer ruhigen Umgebung. </li><li> Modeling Schritt: Starten Sie das Tool data2model_gui und die Extraktion von Merkmalen in 5 Hz Linien from 70 bis 110 Hz mit maximaler Entropie-Methode für jede 500 ms an Daten. Drücken Sie Buildmodell eine probabilistische Modell des ausgewählten spektralen Merkmale mit Gauß-Mischungen zu bauen. </li><li> Mapping Schritt: Starten Sie den gUSBampSource, SigfriedSigProcLAVA und StimulusPresentationTask Module und konfigurieren Sie den Operator, den probabilistischen Modell zu laden, die kortikale Modell, und die 2 - und 3-dimensionale Koordinaten Elektrode. Nach Anweisen des Subjekts, starten Sie den Mapping-Prozess. Bei diesem Verfahren wird ein Gegenstand jede Aufgabe 10 Sekunden zu einer Zeit durchführen, auf jeder der 5 Wiederholungen. Während jeder Aufgabe, erkennt Sigfried aufgabenbezogene ECoG Aktivität, die in ständig aktualisierten 2 dargestellt wird - und 3-dimensionale Karten von eloquenten Kortex. In den 2-dimensionalen Karten, stellt die Größe und Rötung jedes Kreises seine Bedeutung in dieser bestimmten Aufgabe. Insbesondere ist die Größe des Kreises proportional zum Anteil des gesamten Signals Varianz in der Gamma-band, die für die Aufgabe berücksichtigt wird. Diese Statistik basiert wie das Bestimmtheitsmaß, oder R 2 bekannt. Es liegt in dem Bereich (0,1) und in der aktuellen Setup ein Wert von 0,1 können in der Regel als signifikant angesehen werden. Die Skalierung der Kreise um eine maximale R 2-Werte können über die Schieberegler (siehe Abbildung 1C) werden. In den 3-dimensionalen Karten werden die R 2-Werte, um unterschiedliche Farben als Kreisgrößen zugeordnet. </li></ol> 5. Repräsentative Ergebnisse Abbildung 1 zeigt repräsentative Ergebnisse, von einem Sigfried Mapping-Session bei einem Patienten. Die Patientin war eine 28-jährige Rechtshänder Frau, die hartnäckig Lokalisation im Zusammenhang mit Epilepsie von links-zeitliche Beginn mit sekundärer Generalisierung hatte. 120 electrocorticographic Elektroden wurden subdural über linken frontalen, parietalen und temporalen Kortex implantiert. Eine seitliche Röntgenaufnahme (Feld A) und eine intra-operative Foto (Bild B) zeigen dieKonfiguration eines vorderen Gitters mit 40 Elektroden, eine höhere Dichte zeitlichen Raster mit 68 Elektroden, und drei Streifen von jeweils 4 Elektroden. Aus den aufgezeichneten Anfälle, ein Neurologe der epileptischen Foci lokalisiert und festgestellt, dass es notwendig sei, eine chirurgische Resektion des linken Schläfenlappens führen unter Schonung beredte Sprache Kortex. Dies wurde erfolgreich durchgeführt: bei 8 Monate nach der Resektion der Patient als anfallsfrei und ohne neurologische Defizite bewertet worden. Der Passiv-Mapping-Verfahren identifiziert Sigfried Kortex in Sprache-Funktion durch die Gegenüberstellung aufgabenbezogene Änderungen beim Hören Aufgaben beteiligt. Ein 2-dimensionaler Schnittstelle (Panel C), die die Anordnung der Elektroden deutlich macht, und eine 3-dimensionale anatomisch richtige Schnittstelle (Panel D): Die Ergebnisse wurden in zwei Schnittstellen vorgestellt. Von links nach rechts die Paneele Gegensatz zu hören gesprochene Sprache vs Baseline (Gesang), hören Töne vs Baseline (Tönen), und das Hören der gesprochenen Sprache vs listening um Töne (Sprache). Der letzte von ihnen wird als ein grobes Bild der auditiven Funktion, die spezifisch für Sprache empfänglich ist enthalten. Die Ergebnisse der VOICE Zustand zeigten eine gute Übereinstimmung mit Stellen, an denen rezeptiven Sprache Funktion gestört ECS in dieser Patientengruppe (markiert als gelbe Kreise in Abb. A). <img alt="1" src="/files/ftp_upload/3993/3993fig1.jpg" /> Abbildung 1. Beispiel Ergebnisse von einem Patienten. Panel A zeigt eine seitliche Röntgenaufnahme. Gelbe Kreise markieren die Elektroden in rezeptiven Sprache gebracht, in der später durch elektrokortikale Stimulation Mapping identifiziert. Tafel B ist ein Foto während der Implantation entnommen. Panel C zeigt die Sigfried Mapping-Ergebnisse in einer schematischen zweidimensionale Layout: die Größe und Rötung jeder Scheibe repräsentiert die Bedeutung der Beteiligung der einzelnen Elektrode in der Aufgabe, im Vergleich zum Ausgangswert. Im Feld D wird die gleiche Statistik, um Farbe auf einem dreidimensionalen Modell des Gehirns abgebildet Renderot aus patienteneigenen MRT.

<ol><li>Miller, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spectral+Changes+in+Cortical+Surface+Potentials+during+Motor+Movement%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Spectral Changes in Cortical Surface Potentials during Motor Movement.</a> Journal of Neuroscience. 27, 2424-2424 (2007).</li>
<li>Chang, E. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Categorical+speech+representation+in+human+superior+temporal+gyrus%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Categorical speech representation in human superior temporal gyrus.</a> Nature Neuroscience. 13, 1428-1428 (2010).</li>
<li>Gunduz, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neural+correlates+of+visual-spatial+attention+in+electrocorticographic+signals+in+humans%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Human+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Neural correlates of visual-spatial attention in electrocorticographic signals in humans.</a> Frontiers in Human Neuroscience. 5, (2011).</li>
<li>Pei, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatiotemporal+dynamics+of+electrocorticographic+high+gamma+activity+during+overt+and+covert+word+repetition%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Spatiotemporal dynamics of electrocorticographic high gamma activity during overt and covert word repetition.</a> NeuroImage. 54, 2960(2010).</li>
<li>Crone, N. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-frequency+gamma+oscillations+and+human+brain+mapping+with+electrocorticography%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+in+Brain+Research%22%5BJournal%5D)">High-frequency gamma oscillations and human brain mapping with electrocorticography.</a> Progress in Brain Research. 159, 275(2006).</li>
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<li>Leuthardt, E. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+brain-computer+interface+using+electrocorticographic+signals+in+humans%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Engineering%22%5BJournal%5D)">A brain-computer interface using electrocorticographic signals in humans.</a> Journal of Neural Engineering. 1, (2004).</li>
<li>Schalk, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((BCI2000%3A+A+General-Purpose+Brain-Computer+Interface+%28BCI%29+System%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+in+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">BCI2000: A General-Purpose Brain-Computer Interface (BCI) System.</a> IEEE Transactions in Biomedical Engineering. 51, 1034(2004).</li>
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<li>Brunner, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+practical+procedure+for+real-time+functional+mapping+of+eloquent+cortex+using+electrocorticographic+signals+in+humans%5BTitle%5D)+AND+%22Epilepsy+and+Behavior%22%5BJournal%5D)">A practical procedure for real-time functional mapping of eloquent cortex using electrocorticographic signals in humans.</a> Epilepsy and Behavior. 15, 278(2009).</li>
</ol>

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Das Sammeln ECoG Daten für die Forschung erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen Klinikern und Forschern, mit einem hoch interdisziplinären Team der Lösung von Problemen in der klinischen Neurologie, Neurochirurgie, grundlegende Neurowissenschaft, Informatik und Elektrotechnik. Die Belohnung ist, dass ECoG Signale, insbesondere Amplituden im hohen Gamma-Frequenzbereich (70-110Hz), sind sehr wertvoll. Nicht nur sie bieten wissenschaftliche Einblicke in die neuronalen Korrelate von kognitiven, sensorischen und motoris...

<ol><li> 8 x 16-Kanal-Verstärker g.USBamp ( <a href="http://gtec.at" target="_blank">http://gtec.at</a> ) </li><li> 2 x 64-Kanal-Break-Out Box (Splitter Kopf-Box) </li><li> 2 x Verbindungskabel vom Splitter in die klinische System </li><li> 2 x Verbindungskabel von Splitter zu vier g.USBamps </li><li> 2 x Vier-Wege-Netzteil für vier g.USBamps </li><li> 2 x Vier-Wege-Sync-Adapter zu vier g.USBamps synchronisieren </li><li> 1 x Sync-Kabel zum Synchronisieren zwei Sätze von vier g.USBamps </li><li> 1 x potentialfreier Entzerrung Klemme + Kabel für g.USBamp </li><li> 18 x berührungssicher Starthilfekabel </li><li> 2 x Vier-Wege-USB 2.0-Hubs </li><li> Steckdosenleiste </li><li> Laptop oder Desktop-Computer (siehe Abschnitt 2.1) </li><li> Sichere, mobile Wagen für alle der oben genannten </li><li> Eyetracker (oder gewöhnliche LCD-Monitor) für Patient </li><li> Bewegliche Tablett für den Patienten-Monitor </li><li> Andere Peripheriegeräte (Joysticks usw.) für Patient Verhaltensreaktionen </li><li> BCI2000 Software </li><li> CUrry Software </li><li> MATLAB-Software </li></ol>

aufnahme menschliche electrocorticographic (ecog) signale für neurowissenschaftliche forschung und real-time funktionelle kortikale mapping

Recording Human Electrocorticographic (ECoG) Signals for Neuroscientific Research and Real-time Functional Cortical Mapping

Neurobildgebende Studien menschlicher kognitiver, sensorischer und motorischer Prozesse basieren gewöhnlich auf nichtinvasiven Techniken wie der Elektroenzephalographie (EEG), der Magnetoenzephalographie oder der funktionellen Magnetresonanztomographie. Diese Verfahren weisen entweder eine inhärent niedrige zeitliche oder räumliche Auflösung auf und leiden unter einem geringen Signal-Rausch-Verhältnis und/oder einer schlechten Empfindlichkeit gegenüber hochfrequenten Signalen. Daher eignen sie sich nur bedingt zur Untersuchung der kurzlebigen räumlich-zeitlichen Dynamiken vieler zugrundeliegender Hirnprozesse. Im Gegensatz dazu liefert die invasive Technik der Elektrokortikographie (ECoG) Hirnsignale mit einem außergewöhnlich hohen Signal-Rausch-Verhältnis, einer geringeren Anfälligkeit für Artefakte im Vergleich zum EEG sowie einer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung (d. h. &lt;1 cm/&lt;1 Millisekunde, jeweils). Bei der ECoG wird die elektrische Hirnaktivität mithilfe von Elektroden gemessen, die subdural auf der Oberfläche des Gehirns implantiert werden. Neuere Studien haben gezeigt, dass ECoG-Amplituden in bestimmten Frequenzbändern beträchtliche Informationen über aufgabenbezogene Aktivität enthalten, wie etwa motorische Durchführung und Planung1, auditorische Verarbeitung2 und visuell-räumliche Aufmerksamkeit3. Der Großteil dieser Informationen wird im hohen Gamma-Bereich (ca. 70–110 Hz) erfasst. Daher wurde die Gamma-Aktivität als robuster und allgemeiner Indikator für lokale kortikale Funktion vorgeschlagen1–5. ECoG kann außerdem funktionelle Konnektivität aufzeigen und feinere aufgabenbezogene räumlich-zeitliche Dynamiken auflösen, wodurch das Verständnis großskaliger kortikaler Prozesse vorangebracht wird. Sie hat sich insbesondere als nützlich erwiesen, um die Technologie der Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI) weiterzuentwickeln, um die Absichten eines Nutzers zu entschlüsseln und so die Kommunikation6 und Steuerung7 zu verbessern. Dennoch sind menschliche ECoG-Daten oft schwer zu gewinnen, aufgrund der Risiken und Einschränkungen der invasiven Verfahren sowie der Notwendigkeit, innerhalb der Grenzen klinischer Rahmenbedingungen aufzuzeichnen. Dennoch bietet die klinische Überwachung zur Lokalisierung epileptischer Herde eine einzigartige und wertvolle Gelegenheit, menschliche ECoG-Daten zu sammeln. Wir beschreiben unsere Methoden zur Aufnahme von ECoG und demonstrieren, wie diese Signale für wichtige Echtzeitanwendungen wie die klinische Abbildung und die Gehirn-Computer-Schnittstelle genutzt werden können. Unser Beispiel verwendet die Softwareplattform BCI20008,9 und die SIGFRIED10-Methode, eine Anwendung zur Echtzeit-Abbildung von Hirnfunktionen. Dieses Verfahren liefert Informationen, die Kliniker anschließend nutzen können, um den komplexen und arbeitsintensiven Prozess der funktionellen Abbildung durch elektrische Stimulation zu leiten.
Voraussetzungen und Planung:
Patienten mit therapieresistenter fokaler Epilepsie können Kandidaten für eine resektive Chirurgie eines epileptischen Herdes sein, um die Anfallshäufigkeit zu verringern. Vor der Resektion unterziehen sich die Patienten einer Überwachung mittels subduraler Elektroden zu zwei Zwecken: Erstens, um den epileptischen Herd zu lokalisieren, und zweitens, um benachbarte funktionell wichtige Hirnareale (d. h. das eloquente Kortex) zu identifizieren, deren Resektion zu langanhaltenden Funktionsdefiziten führen könnte. Zur Implantation der Elektroden wird eine Kraniotomie durchgeführt, um den Schädel zu öffnen. Anschließend werden Elektrodengitter und/oder -streifen, meist unterhalb der Dura, auf der Hirnoberfläche platziert. Ein typisches Gitter besteht aus 8 × 8 Platin-Iridium-Elektroden mit einem Durchmesser von 4 mm (2,3 mm exponierte Oberfläche), die in Silikon eingebettet sind und einen Elektrodenabstand von 1 cm aufweisen. Ein Streifen enthält typischerweise 4 oder 6 solcher Elektroden in einer einzigen Linie. Die Positionierung dieser Gitter/Streifen wird von einem Team aus Neurologen und Neurochirurgen geplant und basiert auf vorherigen EEG-Überwachungen, einer strukturellen MRT-Aufnahme des Gehirns des Patienten sowie relevanten Faktoren aus der Krankengeschichte. Eine kontinuierliche Aufzeichnung über einen Zeitraum von 5–12 Tagen dient der Lokalisation epileptischer Herde, und eine elektrische Stimulation über die implantierten Elektroden ermöglicht es den Ärzten, das eloquente Kortex abzubilden. Am Ende der Überwachungsphase erfolgen die Entfernung der Elektroden und die therapeutische Resektion gemeinsam in einem einzigen Eingriff.
Neben ihrem primären klinischen Zweck bietet die invasive Überwachung auch eine einzigartige Gelegenheit, menschliche ECoG-Daten für neurowissenschaftliche Forschung zu gewinnen. Die Entscheidung, einen potenziellen Patienten in die Studie einzubeziehen, basiert auf der geplanten Position der Elektroden, den Leistungswerten des Patienten in neuropsychologischen Tests sowie auf seiner informierten Einwilligung, die voraussetzt, dass er versteht, dass die Teilnahme an der Forschung freiwillig ist und keinen Bezug zur eigenen Behandlung hat. Wie bei jeder Forschung mit menschlichen Versuchspersonen muss das Forschungsprotokoll von der zuständigen Ethikkommission des Krankenhauses genehmigt werden. Die Entscheidung, einzelne experimentelle Aufgaben durchzuführen, wird tagtäglich getroffen und hängt von der Belastbarkeit des Patienten und seiner Bereitschaft zur Teilnahme ab. Einige oder alle Experimente können durch Probleme im klinischen Zustand des Patienten verhindert werden, wie beispielsweise postoperative Gesichtsschwellung, vorübergehende Aphasie, häufige Anfälle, postiktales Erschöpfungsgefühl und Verwirrtheit sowie allgemeinere Schmerzen oder Unwohlsein.
In der Epilepsie-Überwachungseinheit des Albany Medical Center in Albany, New York, erfolgt die klinische Überwachung rund um die Uhr mithilfe eines 192-Kanal-Neurofax-Überwachungssystems von Nihon-Kohden. Forschungsaufnahmen werden in Zusammenarbeit mit dem Wadsworth Center des New York State Department of Health in Albany durchgeführt. Signale von den ECoG-Elektroden werden über Splitter-Stecker gleichzeitig an die Forschungs- und die klinischen Systeme weitergeleitet. Um sicherzustellen, dass sich die klinischen und die Forschungssysteme nicht gegenseitig stören, verwenden die beiden Systeme in der Regel separate Erdungen. Tatsächlich wird manchmal ein epidurales Elektrodenstreifen implantiert, um eine Erdung für das klinische System bereitzustellen. Unabhängig davon, ob es sich um ein Forschungs- oder klinisches Aufnahmesystem handelt, wird die Erdungselektrode so gewählt, dass sie weit entfernt vom vorhergesagten epileptischen Fokus und von kortikalen Bereichen liegt, die für die Forschung von Interesse sind. Unser Forschungssystem besteht aus acht synchronisierten 16-Kanal-g.USBamp-Verstärker/Digitalisierer-Einheiten (g.tec, Graz, Österreich). Diese wurden gewählt, weil sie sicherheitsgeprüft und von der FDA für invasive Ableitungen zugelassen sind, weil sie im hohen Frequenzbereich, in dem die Signale von Interesse liegen, ein sehr geringes Rauschverhalten aufweisen und weil sie mit einem SDK geliefert werden, das ihre Integration in benutzerspezifisch entwickelte Forschungssoftware ermöglicht. Um das Hoch-Gamma-Signal genau erfassen zu können, erfassen wir die Signale mit einer Abtastrate von 1200 Hz – deutlich höher als bei typischen EEG-Experimenten oder vielen klinischen Überwachungssystemen. Ein integrierter Tiefpassfilter verhindert automatisch Aliasing von Signalen, die über der vom Digitalisierer erfassbaren Frequenz liegen. Der Blick des Patienten wird mithilfe eines Monitors mit integriertem Tobii T-60 Eye-Tracking-System (Tobii Tech., Stockholm, Schweden) verfolgt. Zusätzliche Hilfsmittel wie Joystick, Bluetooth-Wiimote (Nintendo Co.), Datenhandschuh (5th Dimension Technologies), Tastatur, Mikrofon, Kopfhörer oder Videokamera werden je nach Anforderungen des jeweiligen Experiments angeschlossen.
Datenerfassung, Stimuluspräsentation, Synchronisation mit den verschiedenen Ein- und Ausgabegeräten sowie Echtzeitanalyse und -visualisierung erfolgen mithilfe unserer BCI2000-Software8,9. BCI2000 ist ein frei verfügbares Softwaresystem für allgemeine Zwecke zur Echtzeit-Aufzeichnung, Verarbeitung und Rückkopplung von Biosignalen. Es umfasst eine Reihe vorgefertigter Module, die flexibel für zahlreiche unterschiedliche Anwendungen konfiguriert und durch eigene Forschungscode in C++, MATLAB oder Python erweitert werden können. BCI2000 besteht aus vier Modulen, die über ein netzwerkfähiges Protokoll miteinander kommunizieren: Ein Quellenmodul (Source-Modul), das die Erfassung von Gehirnsignalen von einem von 19 verschiedenen Hardware-Systemen unterschiedlicher Hersteller verwaltet; ein Signalverarbeitungsmodul, das relevante ECoG-Merkmale extrahiert und in Ausgabesignale umwandelt; ein Anwendungsmodul, das Reize und Feedback an den Probanden liefert; sowie ein Operator-Modul, das dem Untersucher eine grafische Benutzeroberfläche bereitstellt.
Mit einem bestimmten Patienten können verschiedene Experimente durchgeführt werden. Die Priorität der Experimente richtet sich nach der Lage der Elektroden des jeweiligen Patienten. In der Regel beginnen wir jedoch unsere Experimente mit der SIGFRIED-Methode (SIGnal modeling For Realtime Identification and Event Detection), einer Abbildungsmethode, die signifikante, aufgabenspezifische Aktivität in Echtzeit erfasst und darstellt. Die resultierende Funktionskarte ermöglicht es uns, nachfolgende experimentelle Protokolle weiter anzupassen, und kann auch als nützlicher Ausgangspunkt für die traditionelle Abbildung mittels elektrokortikaler Stimulation (ECS) dienen.
Obwohl die ECS-Mapping-Methode weiterhin der Goldstandard zur Vorhersage des klinischen Ergebnisses einer Resektion ist, ist das Verfahren zeitaufwändig und weist weitere Probleme auf, wie beispielsweise Nachentladungen oder Anfälle. Daher könnte eine passive funktionelle Mapping-Technik wertvoll sein, um eine erste Abschätzung des Locus der eloquenten Rinde zu erhalten, die anschließend mittels ECS bestätigt und verfeinert werden kann. Die Ergebnisse unserer passiven SIGFRIED-Mapping-Technik haben gezeigt, dass sie eine erhebliche Übereinstimmung mit den mittels ECS-Mapping gewonnenen Ergebnissen aufweisen10.
Das in dieser Arbeit beschriebene Protokoll legt eine allgemeine Methodik zur Erfassung menschlicher ECoG-Daten fest, bevor anschließend erläutert wird, wie Experimente mit der BCI2000-Softwareplattform initiiert werden können. Schließlich beschreiben wir als konkretes Beispiel, wie eine passive funktionelle Abbildung mithilfe des auf BCI2000 basierenden SIGFRIED-Systems durchgeführt wird.

Wir stellen eine Methode zum Sammeln electrocorticographic Signale für die Forschung von Menschen, die sich einer invasiven Monitoring-Epilepsie sind. Wir zeigen, wie das BCI2000 Software-Plattform für die Datenerfassung, Signalverarbeitung und Stimulus Präsentation zu nutzen. Insbesondere zeigen wir, Sigfried, ein BCI2000-basiertes Tool für die Echtzeit-funktionelles Brain Mapping.

Aufnahme Menschliche Electrocorticographic (ECoG) Signale für neurowissenschaftliche Forschung und Real-time Funktionelle kortikale Mapping

Neuroimaging-Studien zu menschlichen kognitiven, sensorischen und motorischen Prozessen basieren in der Regel auf nichtinvasiven Techniken wie der Elektroenzephalografie (EEG), ...

Das Ziel dieses Verfahrens besteht darin, elektrokortikographische Daten von Patienten zu gewinnen, die einer klinischen Epilepsieüberwachung unterzogen werden, und diese zur Durchführung einer Echtzeit-Funktionskartierung zu nutzen. Dies wird erreicht, indem zunächst ein Signalerfassungssystem in Forschungsqualität eingerichtet wird, das an das klinische Epilepsieüberwachungssystem angeschlossen werden kann, ohne die klinische Überwachung zu beeinträchtigen oder zu unterbrechen. Der zweite Schritt der Funktionskartierung besteht darin, Baselinesignale aufzuzeichnen, während der Patient wach ist, sich aber ruhig ausruht.Anschließend werden die Signale verarbeitet, um Merkmale zu extrahieren, die die Gehirnaktivität im Bereich der hohen Gammafrequenz repräsentieren, und diese werden verwendet, um ein Modell des basalen Gehirnzustands des Patienten aufzubauen. Der letzte Schritt besteht darin, dass der Patient einfache kognitive oder motorische Aufgaben ausführt, während die Algorithmen zur Erkennung von Neuheit im Siegfried-System Areale der Großhirnrinde hervorheben, in denen die Aktivität im hohen Gammafrequenzbereich signifikant vom Basiszustand abweicht. Letztendlich zeigt der B

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Quelle: Fehér, K. D. et. al., Concurrent Electroencephalography Recording During Transcranial Alternating Current Stimulation (tACS). J. Vis. Exp. (2016)Dieses Video zeigt den Aufbau von gleichzeitigen Experimenten zur transkraniellen Wechselstromstimulation (tACS) und Elektroenzephalographie (EEG), um rhythmische elektrische Signale an das Gehirn zu liefern und gleichzeitig die Gehirnaktivität aufzuzeichnen. Das Verfahren gewährleistet die Elektrodenisolierung und verhindert Gelbrückenbildung...

Etablierung einer gleichzeitigen transkraniellen Wechselstromstimulation und Elektroenzephalographie zur Aufzeichnung der menschlichen Gehirnaktivität

Dieses Video zeigt den Prozess der Aufzeichnung der kortikalen und subkortikalen neuronalen Aktivität mittels Elektroenzephalographie (EEG) und Tiefenhirnstimulation (DBS) Elektroden während eines aufmerksamkeitsbasierten visuellen Stimulationstests.

Aufzeichnung der kortikalen und subkortikalen neuronalen Aktivität mit Hilfe von Elektrodensystemen

Wir beschreiben, wie man Multi-Elektroden-Array-Aufnahmen des menschlichen epileptischen Rindengewebe durchzuführen. Epileptische Geweberesektion, Scheibe Vorbereitung und Multi-Elektroden-Array-Aufnahmen interiktaler und iktale Ereignisse detailliert gezeigt.

Multi-Elektroden-Array Recordings of Human Epileptische Postoperative Rindengewebe

Das vorliegende Protokoll zielt darauf ab, kognitiv-emotionale Funktionen in den Basalganglien durch gleichzeitige neurophysiologische Aufzeichnung lokaler Feldpotentiale und nicht-invasiver kortikaler Aktivität (EEG) des Gehirns zu beurteilen. Ein Beispiel für das Verfahren ist die Verwendung von Paradigmen, die Sprachreize mit emotionaler Konnotation beinhalten, oder die Flanker-Aufgabe mit kognitiver Kontrolle.

Kombinierte Invasive Subcortical und Nicht-invasive Oberflächenneurophysiologische Aufnahmen zur Beurteilung von kognitiven und emotionalen Funktionen beim Menschen

Eine EEG-fMRT multimodale bildgebende Methode, bekannt als die raumzeitlichen fMRI eingeschränkt EEG Quelle bildgebendes Verfahren, wird hier beschrieben. Die vorgestellte Methode beschäftigt bedingt aktiv fMRI Sub-Maps oder Prioren, EEG Quelle Lokalisierung in einer Art und Weise zu führen, das verbessert die räumliche Spezifität und fehlerhafte Ergebnisse begrenzt.

Gleichzeitige EEG und funktionelle MRT-Aufnahme und Integration Analyse für dynamische kortikale Aktivität Imaging

Wir haben eine ganze kortikale Electrocorticographic-Array für die Weißbüschelaffe entwickelt, die kontinuierlich fast die gesamte Mantelfläche des Kortex, aus dem okzipitalen Pol an die zeitlichen und frontal Pole abdeckt. Dieses Protokoll beschreibt eine chronische Implantationsverfahren des Arrays in den Epiduralraum des Gehirns Marmoset.

Chronische Implantation des gesamten kortikalen Electrocorticographic Arrays in der Weißbüschelaffe

Wir beschreiben hier eine Methode zur Herstellung von Ti3C2 MXene Mikroelektroden-Arrays und deren Verwendung für die in vivo-neurale Aufnahme.

Herstellung von Ti3C2 MXene Microelectrode Arrays für In Vivo Neural Recording

In dieser Arbeit stellen wir eine Methode zur langfristigen Leistungs- und Sicherheitsbewertung von weichen subduralen Elektrodenarrays in einem Minipig-Modell vor, die chirurgische Methoden und Werkzeuge, postoperative Magnetresonanztomographie, Elektrophysiologie des auditorischen Kortex, elektrochemische Eigenschaften des Implantats und postmortale Immunchemie beschreibt.

Subdurale weiche Elektrokortikographie (ECoG) Array-Implantation und Langzeit-Kortikalableitung bei Minischweinen

Ein neuartiges Protokoll für die personalisierte transkranielle Magnetstimulation in Kombination mit der Elektroenzephalographie (TMS-EEG) Kartierung kortikaler Netzwerke, das auf mehreren Datenmodalitäten der Magnetresonanztomographie (MRT) basiert.

Neuroimaging-gesteuertes TMS-EEG für die Echtzeit-Kartierung kortikaler Netzwerke

Hier stellen wir zwei Protokolle für die Aufzeichnung von Mikro-Elektrokortikographie (μEcoG) mit hoher Dichte bei Ratten und Mäusen vor, einschließlich chirurgischer, Implantations- und Aufzeichnungsmethoden. μECoG-Aufzeichnungen werden entweder in Kombination mit laminarer Polytrodenaufzeichnung im auditorischen Kortex der Ratte oder mit optogenetischer Manipulation der neuronalen Aktivität im somatosensorischen Kortex der Maus durchgeführt.

Multiskalige Untersuchungen der kortikalen Prozessierung durch Integration laminarer Polytroden und Optogenetik mit Mikroelektrokortikographie bei Nagetieren

Erfahren Sie die Erfassung von ECoG-Signalen bei Epilepsiepatienten mit BCI2000 für Echtzeit-funktionelles Mapping. Diese Methode nutzt High-Gamma-Frequenzen und Neuheitsdetektion zur Identifikation kortikaler Aktivierungsbereiche.

Aufnahme Menschliche Electrocorticographic (ECoG) Signale für neurowissenschaftliche Forschung und Real-time Funktionelle kortikale Mapping (Video) | JoVE Journal

Aufnahme Menschliche Electrocorticographic (ECoG) Signale für neurowissenschaftliche Forschung und Real-time Funktionelle kortikale Mapping

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