Die Untersuchung der Funktion von Deep kortikalen und subkortikalen Strukturen Mit Stereotaktische Elektroenzephalographie: Lehren aus der anterioren cingulären Cortex

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, elektrophysiologische Signale aus tieferen Hirnarealen aufzuzeichnen. Dies wird erreicht, indem zunächst Elektroden in den Zielregionen platziert werden. Anschließend wird die Datenerfassungseinrichtung am Bett des Patienten aufgebaut, und im letzten Schritt wird der Patient angewiesen, eine einfache kognitive Aufgabe durchzuführen.

Die elektrophysiologischen Signale werden über die Elektroden aufgezeichnet, während der Patient die Aufgabe abschließt. Letztendlich wird eine spektrale Mehrfach-Taper-Analyse verwendet, um die Varianzen in der lokalen Feldaktivität im dorsalen anterioren cingulären Cortex in Abhängigkeit von der Schwierigkeit der kognitiven Aufgabe darzustellen. Der Vorteil der stereo-elektroenzephalographischen Methode gegenüber anderen Ableittechniken wie der subduralen Gitterimplantation besteht darin, dass mit der stereo-EEG-Methode Zugang zu tiefen Hirnstrukturen besteht.

Dies ist klinisch von Vorteil, wenn wir vermuten, dass Anfälle von diesen tiefen Strukturen ausgehen, und auch aus forschungswissenschaftlicher Sicht, da es uns Zugang zu Bereichen des Gehirns verschafft, auf die wir sonst keinen Zugriff hätten. Die Patientenauswahl ist jedoch von entscheidender Bedeutung, da diese Technik besonders gut zur Lokalisierung von Anfällen geeignet ist, die von tiefen kortikalen und subkortikalen Strukturen ausgehen. Solche Ableitungen können uns helfen, zentrale Fragen im Epilepsieforschungsbereich zu beantworten, beispielsweise: Wo beginnen Anfälle?

Wohin breiten sich Anfälle aus und wie können wir diese Bereiche kartieren? Mithilfe herkömmlicher EEG-Methoden lässt sich zwar Einblick in Epilepsie und Anfallsursprünge gewinnen, doch können wir sie auch auf andere Bereiche der Neurowissenschaften anwenden, wie etwa Kognition, Gedächtnis und soziale Wahrnehmung. In der Regel haben Personen, die mit dieser Methode neu beginnen, Schwierigkeiten mit dem Erwerb der Daten, da die Erfassung elektrophysiologischer Signale komplex sein kann.

Nach dem CT-Scan wird der Patient in den Operationssaal zurückgebracht und das Operationsfeld gemäß den routinemäßigen sterilen Methoden präpariert. Anschließend werden anhand der ausgedruckten stereotaktischen Koordinaten aus dem Scan die Koordinaten für die erste Tiefenelektrode am Kopfrahmen in den lateralen vertikalen und anterioren posterioren Ebenen eingestellt. Die Koordinaten werden von einem mitoperierenden Chirurgen überprüft und gegebenenfalls korrigiert. Mithilfe einer Computerarbeitsstation im Operationssaal wird mit Hilfe des Führungsblocks die Einführungsstelle auf der Haut identifiziert und diese Position mit einem Markierstift gekennzeichnet.

Injizieren Sie ein bis zwei Milliliter Lokalanästhetikum in die markierte Inzision. Anschließend mit einem Skalpell der Größe 11 die markierte Inzision bis zum Schädel anritzen und mithilfe einer monopolareren Elektrokauterisierung, die mit einem beschichteten Applikator geführt wird, die Dermis und das tiefe Gewebe unter Verwendung des Führungsbolzens kauterisieren. Um die korrekte Bahn beizubehalten, bohren Sie ein Bohrloch mit einem 2,1-Millimeter-Spiralbohrer und einer handgehaltenen elektrischen Bohrmaschine.

Öffnen Sie die Dura mithilfe einer monopolarer Elektrokauterisierung, die von einer starren, beschichteten Opteratorsonde geführt wird, wobei die Bahn weiterhin mit dem Führungsschlitz gelenkt wird. Schrauben Sie eine Ankerbolzen in das Loch ein und führen Sie eine vorgemessene Tastsonde durch den Ankerbolzen, um eine Spur für die Elektrode anzulegen. Führen Sie dann die Elektrode vorsichtig bis zur vorberechneten Tiefe ein und ziehen Sie den mit einer Kappe versehenen Ankerbolzen fest, um die Elektrode nach Erreichen der Position zu sichern.

Um eine adäquate Platzierungstrajectorie für alle Elektroden sicherzustellen, bringen Sie das sterile, drapierte Durchleuchtungsgerät in das chirurgische Feld und fertigen Sie ein Röntgenbild in anteroposteriorer (AP) Projektion an. Anschließend verbinden Sie die Elektroden mit dem klinischen EEG-System, um die geeigneten Impedanzen zu überprüfen. Legen Sie den Verband an.

Entfernen Sie den stereotaktischen Kopfrahmen und wecken Sie den Patienten aus der Narkose auf. Öffnen Sie zur Einrichtung der Verhaltensaufgabe die entsprechende Verhaltenssoftware und laden Sie die Bedingungsdatei, die für die Durchführung der Multisource-Interferenz-Aufgabe konzipiert ist. Um alle vier Versuchstypen mit gleicher Häufigkeit einzuschließen, drücken Sie die Schaltfläche „Bedingungen festlegen“, um die gewünschte Bedingungsdatei auszuwählen.

Klicken Sie dann im Anzeigefeld auf „Test“, um den Monitor für die Verhaltensanzeige zu überprüfen. Der testweise visuelle Reiz sollte zwei bis drei Sekunden lang erscheinen. Schließen Sie anschließend die Tastenbox an die analogen Eingänge der Datenerfassungskarte und an eine Stromquelle an.

Verwenden Sie ein Bandkabel, das in neun Adern aufgeteilt ist, um acht der Adern mit den Anschlüssen null bis sieben am digitalen E/A-Teil der Datenerfassungskarte zu verbinden. Verbinden Sie die neunte Ader mit dem Null-Anschluss am digitalen PFI-Teil der Karte. Stellen Sie anschließend die gewünschte Abtastrate in der Software des neuronalen Signalprozessors ein.

Beispielsweise wird hier die gewünschte Abtastrate auf 50.000 Proben pro Sekunde mit einer Alias- und Downsample-Rate online von 1000 Proben pro Sekunde eingestellt. Schließen Sie den Aufbau ab, indem Sie den Verstärker über ein Glasfaserkabel mit dem neuronalen Signalprozessor und den neuronalen Signalprozessor über ein Glasfaserkabel mit dem Datenstromgerät und der optischen PCI-Karte im Computer für die neuronale Datenerfassung verbinden. Der Schlüssel für eine erfolgreiche Datenerfassung besteht darin, den Signalverarbeitungsaufbau vor Betreten des Patientenzimmers zu testen, damit eine Aufnahme reibungslos verlaufen kann.

Wenn das Verhaltensmonitor bereit ist, transportieren Sie die Versuchsanordnung in das Patientenzimmer und stellen Sie das Monitorgerät vor dem Patienten auf einen mobilen Tisch. Schließen Sie das Monitorgerät mit einem handelsüblichen DVI-Kabel an den Verhaltenssteuerungscomputer an und platzieren Sie die Aufzeichnungseinrichtung an einer unauffälligen Stelle.

Als Nächstes verbinden Sie das Forschungssystem mit der Verteilerbox, die die Forschungsaufzeichnung vom klinischen System trennt. Übergeben Sie dann die Tastenbox an den Patienten und weisen Sie den Patienten an, das Ziel durch Drücken der entsprechenden Taste zu identifizieren. Klicken Sie abschließend auf „Run“, um die Aufgabe zu starten, und lassen Sie den Patienten zwei Blöcke mit jeweils 150 Durchgängen mithilfe der Software für den neuronalen Signalprozessor absolvieren, um die Aufzeichnungsparameter zu steuern.

Nach der Auswahl eines Patienten für die Platzierung von stereotaktischen EEG-Elektroden wird eine volumetrische T2- und T1-kontrastverstärkte MRT-Aufnahme durchgeführt. Anschließend werden die Trajektorien der stereotaktischen EEG-Elektroden mithilfe der stereotaktischen Navigation basierend auf den volumetrischen MRT-Sequenzen geplant. Diese Technik ermöglicht die Ableitung lokaler Feldpotentiale aus tief im Cortex gelegenen Strukturen, wie hier beispielsweise dem dorsalen vorderen cingulären Cortex, was mit einer herkömmlichen Ableitung über Oberflächenelektroden nicht möglich wäre.

Nach einer ausreichenden Anzahl von Versuchsdurchgängen mit Mehrquellen-Interferenzaufgaben werden die Daten des lokalen Feldpotentials von den stereotaktischen EEG-Elektroden im dorsalen anterioren cingulären Cortex vorverarbeitet, um die Lokalfelddaten an die Präsentation von Q auszurichten, um anschließend weitere Analysen durchführen zu können. Danach können die ausgerichteten Lokalfelddaten gemittelt werden, um die Unterschiede in der mittleren elektrophysiologischen Antwort zwischen den Versuchstypen zu untersuchen. Anschließend werden Multitaper-Spektrogramme erstellt, um die zeitlichen Veränderungen in den Frequenzbändern zu analysieren.

Tatsächlich haben EEG-Studien an der Kopfhaut verschiedene Frequenzbänder mit der Aktivität des dorsalen anterioren cingulären Kortex in Verbindung gebracht. Die Zeit-Frequenz-Analyse ist eine wichtige Methode, um die im dorsalen anterioren cingulären Kortex beobachteten elektrophysiologischen Veränderungen mit dem entsprechenden Verhalten zu verknüpfen. Nach Beherrschung der Technik dauert die Durchführung etwa zwei bis drei Stunden und weist nur geringe Komplikationen auf.

Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig, die kognitive Aufgabe an die aufgezeichnete kortikale oder subkortikale Region anzupassen. Nach diesem Verfahren können weitere Methoden der Datenanalyse angewendet werden, wie beispielsweise die Zeit-Frequenz-Analyse. Diese ermöglichen es uns, die Effekte verschiedener Arten neuronaler Oszillationen zu unterschiedlichen Zeitpunkten zu entwirren.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie elektrophysiologische Signale aus tieferen Hirnarealen mithilfe stereotaktisch platzierte Elektroden und einer Datenerfassungsvorrichtung aufgezeichnet werden können.