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

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 Bestimmungskoeffizient an jeder Elektrodenposition, welche kortikalen Bereiche während der Aufgabenausführung eine signifikante Aktivierung aufweisen.

Ihre Beteiligung wird anschließend durch elektrokortikale Stimulationskartierung bestätigt, wobei die Ergebnisse der krankhaften Aufzeichnungen das Stimulationskartierungsverfahren vereinfachen und zeitsparender gestalten, indem sie ergänzende Informationen liefern. DIE ELEKTROKORTIKOGRAPHIE ODER ECOG IST GEKENNZEICHNET DURCH DIE VERWENDUNG VON SUBDURALEN GITTER- UND BAND-ELEKTRODEN ZUR AUFZEICHNUNG DER HABITUellen Anfälle des Patienten. ZUR ELEKTRISCHEN STIMULATION DIESER ELEKTRODEN WIRD ENTWEDER EINE ODER ZWEI GLEICHZEITIG GENUTZT, UM BESTIMMTE FUNKTIONEN WIE BEISPIELSWEISE EINE MOTORISCHE ODER LINGUISTISCHE FUNKTION ZU STÖREN, UM EINE KARTE DER ELOQUENTENEN RINDE ZU ERSTELLEN, DIE BEI DER RESEKTION GESCHONT WERDEN SOLLTE.

ECOG weist eine Kombination aus hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung auf, die mit anderen Messmethoden wie EEG oder funktioneller MRT einfach nicht zu finden ist. Insbesondere ist es die einzige Methode, um qualitativ hochwertige Aufzeichnungen elektrischer Hirnaktivität im Bereich der hohen Gamma-Frequenzen zu erhalten, die ein äußerst aussagekräftiger Korrelat einer breiten Palette von Hirnfunktionen darstellt. ECOG ist eine invasive Ableittechnik, bei der Gitter direkt auf der Gehirnoberfläche platziert werden, was einen operativen Eingriff erfordert und daher nur in klinischen Situationen durchgeführt wird, die eine Operation notwendig machen.

Die Patienten befinden sich in der Epilepsieüberwachungseinheit in der Regel etwa eine Woche lang, bis die Ärzte über ausreichend Informationen verfügen, um den Anfallsherd während dieses Zeitraums zu lokalisieren. Wenn die Patienten zustimmen, können sie an Forschungsprojekten teilnehmen; sofern die klinische Überwachung dadurch nicht beeinträchtigt wird, ergibt sich für Forschende eine einzigartige Gelegenheit, das menschliche Gehirn in Aktion aufzuzeichnen. In diesem Video zeige ich, wie man die ECoG-Elektroden durch die Registrierung einer präoperativen MRT und einer postoperativen CD lokalisiert, und ich stelle eine neue Form der funktionellen Mapping-Methode vor, die auf Gamma-Merkmalen in den ECoG-Signalen basiert. Vor der Operation ist eine präoperative strukturelle T1-gewichtete MRT des Kopfes des Patienten mit 256 × 256 Pixeln pro Schicht, vollem Bildfeld, ohne Interpolation, einer Schichtdicke von einem Millimeter und bevorzugt sagittalen Schichten anzufertigen.

Am Tag der Operation anschließend die chirurgische Implantation der Gitter- und Streifenelektroden beobachten und digitale Fotografien der Elektroden in situ sowie die Notizen des Neurochirurgen zu den implantierten Positionen sammeln. Nach der Operation postoperative Schädel-Röntgenaufnahmen sowie Gehirn-CT-Scans anfertigen, die hautdicht mit hoher Auflösung, einer Millimeterschichtdicke und ohne Winkelung aufgenommen werden sollten. Verwenden Sie danach das CURRY-Softwarepaket, um ein dreidimensionales kortikales Modell des Gehirns des Patienten aus dem präoperativen MRT zu erstellen, und führen Sie anschließend die Koregistrierung mit den postoperativen CT-Bildern nach der Gitterimplantation durch.

Rechtsklicken Sie dann der Reihe nach auf jede Elektrodenposition und wählen Sie „Cursor exportieren“ zur Lokalisierung. Um die 3D-Koordinaten der Elektroden zu registrieren, exportieren Sie die 3D-kortikale Struktur des Probanden und die Elektrodenkoordinaten im MATLAB-Format. Erstellen Sie anschließend einen Export, einen Film, der die auf die Gehirnoberfläche projizierten Elektroden zeigt.

Weiterhin die Elektrodenkoordinaten mithilfe eines automatisierten Rhesus-Atlas den standardmäßigen Brodmann-Arealen zuordnen. Die Informationen aus dem 3D-Modell, Röntgenaufnahmen, Fotografien und Notizen überprüfen. Ein Nummerierungsschema für die Elektroden festlegen und mit den Technikern des Krankenhauses zusammenarbeiten, um sicherzustellen, dass die Elektroden korrekt an die Verteilerboxen angeschlossen werden.

Genau dieser Nummerierung folgen. Erstellen Sie außerdem ein schematisches Layout für das Verdrahten der Elektroden, sodass alle Elektrodenpositionen eindeutig ohne Überlappung unterschieden werden können. Wählen Sie zwei Elektrodenpositionen, die vermutlich elektrokortikographisch stumm sind und sich außerhalb der vermuteten eloquenten Rinde befinden, als erste Masse- und Referenzelektrode aus.

Bereiten Sie als Nächstes einen verknüpften Stapel von GUSB-Verstärkern vor. Synchronisieren Sie diese, indem Sie einen als Master auswählen. Verbinden Sie dessen Sink-Ausgang mit dem S-Sink-Eingang der anderen und geben Sie die Seriennummer des Masters als BCI zweitausend ein.

Master-Parameter Geräte-ID. Verbinden Sie die blauen Referenzbuchsen miteinander und die gelben Erdungsbuchsen miteinander ganz rechts im Stapel. Hier schließen Sie vor Beginn der Sitzung Ihre gewählte Referenz an Blau und die Erdung an Gelb an.

Bereiten Sie eine Modell-Do-Inni-Datei vor, die die Signalverarbeitungseinstellungen enthält, die die Siegfried-Software zur Erstellung eines Modells verwendet. Bereiten Sie außerdem eine Dot-PRM-Datei oder separate Dot-PRM-Abschnitte vor, die die Parameter enthalten, die das BCI-2000-System für die Datenaufnahme und die Echtzeitvisualisierung verwendet. Zwei zentrale Parameter für Siegfried sind die Elektrodenpositionen, die die gewählte 2D-Anordnung der Elektroden des Patienten festlegen, und der Elektrodenzustand, der angibt, welche Aufgaben unter welchen Bedingungen abgebildet werden.

Beachten Sie, dass die Zeit mit dem Patienten begrenzt ist. Daher müssen alle Verfahren robust, optimiert und im Voraus erprobt sein. Wählen Sie einen geeigneten Zeitpunkt, um dem Patienten experimentelle Aufnahmen vorzuschlagen, und geben Sie früh am Tag sowie 15 Minuten vor der Sitzung Bescheid.

Bewegen Sie das Gerät an die Seite des Patienten, schließen Sie dann den Video-Monitor des Patienten an und schalten Sie ihn ein, und wecken Sie den Computer aus dem Ruhezustand auf. Verbinden Sie außerdem das Datenerfassungssystem über die Verteileranschlüsse mit den ECOG-Gittern. Starten Sie die BCI-2000-Software.

Danach mit aktiviertem visualisiertem Quellparameter „set config“ auswählen, im Viewer per Rechtsklick den Hochpassfilter auf eine Grenzfrequenz von fünf Hertz einstellen. Hinweis: Diese Einstellung wirkt sich nur auf die Visualisierung und nicht auf die Datenerfassung aus. Überprüfen Sie Störungen durch Netzbrummen, indem Sie beobachten, ob die Aktivierung eines Notch-Filters im Viewer eine deutliche Veränderung des Signals bewirkt.

Falls dies der Fall ist, versuchen Sie, dies zu verringern, indem Sie alle Quellen von Störungen beseitigen, wie beispielsweise ungenutzte, übersprechende Kabel. Wechseln Sie gegebenenfalls die Elektroden, die als Referenz und Masse verwendet werden. Wenn Sie einen Eye-Tracker verwenden, kalibrieren Sie diesen mithilfe der vom Hersteller bereitgestellten Kalibrierungssoftware, um Ablenkungen und Unterbrechungen zu vermeiden und mögliche Signalstörungen zu minimieren.

Stellen Sie sicher, dass alle Fernsehgeräte, Radios und Mobiltelefone im Raum ausgeschaltet sind. Beginnen Sie die experimentelle Sitzung mit der Aufzeichnung der Basisaktivität. Weisen Sie die Versuchsperson an, sich zu entspannen und regungslos mit offenen Augen zu verharren.

Starten Sie anschließend die Signalverarbeitung des GUSB-Amp-Quellen-Dummy-Signals und die Stimuluspräsentation. Aufgabenmodule. Nehmen Sie sechs Minuten Basisaktivität unter angenehmer Beleuchtung in einer ruhigen Umgebung auf.

Als Nächstes starten Sie das grafische Benutzerwerkzeug „Daten zu Modell“, das so konfiguriert ist, dass Merkmale in Fünf-Hertz-Bereichen von 70 bis 110 Hertz extrahiert werden, wobei die Maximum-Entropy-Methode für jeweils 500 Millisekunden Daten verwendet wird. Drücken Sie auf „Modell erstellen“, um ein probabilistisches Modell der ausgewählten spektralen Merkmale mithilfe von Galiummischungen zu generieren. Geben Sie nun dem Patienten präzise Anweisungen für die experimentelle Aufgabe, die in dieser Aufgabe durchgeführt wird.

Die Versuchsperson führt jede Aufgabe jeweils fünfmal für 10 Sekunden durch. Starten Sie die GUSB-Amp-Quelle Siegfried Sig Pro Lava und die Modulpräsentation der Stimulusaufgaben und konfigurieren Sie den Operator, um das probabilistische Modell, das kortikale Modell sowie die zwei- und dreidimensionalen Elektrodenkoordinaten zu laden. Drücken Sie im Operator die Starttaste, um das Experiment zu beginnen und den Abbildungsprozess einzuleiten.

Die Rohdaten werden automatisch zusammen mit Ereignismarkern übertragen, bis die Aufnahme angehalten wird oder der experimentelle Durchlauf beendet ist. Jedes Mal, wenn „Start“ oder „Weiter“ gedrückt wird, wird eine neue Datei erstellt, um zu verhindern, dass vorherige Daten während jeder Aufgabe überschrieben werden. Die Siegfried-Software erfasst aufgabenspezifische ECoG-Aktivität, die in kontinuierlich aktualisierten zwei- und dreidimensionalen Karten der Hirnrinde dargestellt wird. Die Größe und Rötung jedes Kreises repräsentiert dessen Bedeutung für die laufende Aufgabe.

Die Skalierung der Kreise auf maximale R-Quadrat-Werte kann mithilfe der Schieberegler während der gesamten Sitzung gesteuert werden. Achten Sie darauf, das Verhalten des Patienten und die ECoG-Signale auf verdächtige Anfälle zu überwachen, und seien Sie bereit, sofort auf Anweisungen des medizinischen Personals zu reagieren. Hier sehen wir ein Beispiel für eine seitliche Röntgenaufnahme eines repräsentativen Patienten.

Die gelben Kreise markieren die Elektroden, die an der sprachlichen Rezeption beteiligt sind, wie sie anschließend durch elektrokortikale Stimulationskartierung identifiziert wurden. Gezeigt ist hier eine Fotografie, die während der Implantation bei diesem Patienten aufgenommen wurde. Diese Schemata zeigen die Siegfried-Kartierungsergebnisse in einer schematischen zweidimensionalen Darstellung.

Die Größe und Rötung jeder Scheibe repräsentiert die Signifikanz der Beteiligung jeder Elektrode an der Aufgabe im Vergleich zur Grundlinie, und hier wird dieselbe Statistik farblich auf einem dreidimensionalen Gehirnmodell abgebildet, das aus der MRT des Patienten erstellt wurde. Dieses Video hat gezeigt, wie menschliche ECoG-Daten zu Forschungszwecken aufgezeichnet und in Echtzeit mit der BCI 2000-Software verarbeitet werden können. Ein Beispiel für eine Echtzeitanwendung von BCI 2000 ist das Funktionsmapping-Tool.

Die Siegfried-Siegfried-Kartierung kann innerhalb von 10 Minuten durchgeführt werden, abhängig von der Anzahl der durchzuführenden Aufgaben. Vorläufige Ergebnisse sind innerhalb von Sekunden sichtbar, stabile Ergebnisse können innerhalb von fünf bis zehn Wiederholungen erzielt werden, wobei jede Wiederholung 10 Sekunden dauert. Der Vorteil einer Siegfried-Kartierung liegt in der funktionellen Relevanz über das gesamte Gitter hinweg gleichzeitig, während die elektrische Stimulation eine Stromapplikation an jeder Elektrodenstelle erfordert, was wesentlich zeitaufwändiger ist und potenziell Anfälle auslösen kann.

Wir führen weiterhin elektrische Mapping-Verfahren durch, aber mithilfe von Siegfried erhalten wir zunächst eine schnelle Vorabbildkarte, die den Prozess erheblich beschleunigt. In Zukunft wird die Verbesserung des Gitterdesigns hoffentlich Anwendungen jenseits der Epilepsieüberwachung ermöglichen, beispielsweise bei Schlaganfallpatienten, zur Wiederherstellung von Funktionen, zur Steuerung von Prothesengliedmaßen sowie zur Verbesserung der Kommunikation bei Menschen mit einer Lähmung der Stimmmuskulatur oder einer ALS-ähnlichen Erkrankung.

Vielen Dank fürs Zuschauen.