Los estudios de neuroimagen sobre procesos cognitivos, sensoriales y motores humanos generalmente se basan en técnicas no invasivas como la electroencefalografía (EEG), la magnetoencefalografía o la resonancia magnética funcional. Estas técnicas presentan ya sea una resolución temporal o espacial inherentemente baja, y sufren de una baja relación señal-ruido y/o una pobre sensibilidad a frecuencias altas. Por lo tanto, son subóptimas para explorar la dinámica espacio-temporal de corta duración de muchos de los procesos cerebrales subyacentes. En contraste, la técnica invasiva de electrocorticografía (ECoG) proporciona señales cerebrales que tienen una relación señal-ruido excepcionalmente alta, menor susceptibilidad a artefactos que el EEG y una alta resolución espacial y temporal (es decir, <1 cm/<1 milisegundo, respectivamente). La ECoG implica la medición de señales eléctricas cerebrales mediante electrodos que se implantan subduralmente sobre la superficie del cerebro. Estudios recientes han demostrado que las amplitudes de ECoG en ciertas bandas de frecuencia contienen información sustancial sobre la actividad relacionada con la tarea, como la ejecución y planificación motoras1, el procesamiento auditivo2 y la atención visual-espacial3. La mayor parte de esta información se capta en el rango de alta gamma (alrededor de 70-110 Hz). Por lo tanto, se ha propuesto que la actividad gamma es un indicador robusto y general de la función cortical local1-5. La ECoG también puede revelar la conectividad funcional y resolver dinámicas espacio-temporales más finas relacionadas con la tarea, avanzando así en nuestra comprensión de los procesos corticales a gran escala. Ha resultado especialmente útil para impulsar la tecnología de interfaces cerebro-computadora (BCI) para decodificar las intenciones del usuario y mejorar o potenciar la comunicación6 y el control7. Sin embargo, los datos de ECoG humanos suelen ser difíciles de obtener debido a los riesgos y limitaciones de los procedimientos invasivos involucrados, y a la necesidad de realizar registros dentro de las restricciones de entornos clínicos. Aun así, el monitoreo clínico para localizar focos epilépticos ofrece una oportunidad única y valiosa para recopilar datos de ECoG humanos. Describimos nuestros métodos para recopilar grabaciones de ECoG y demostramos cómo utilizar estas señales en aplicaciones importantes en tiempo real, como la cartografía clínica y las interfaces cerebro-computadora. Nuestro ejemplo utiliza la plataforma de software BCI20008,9 y el método SIGFRIED10, una aplicación para la cartografía en tiempo real de funciones cerebrales. Este procedimiento proporciona información que los clínicos pueden utilizar posteriormente para guiar el proceso complejo y laborioso de cartografía funcional mediante estimulación eléctrica.
Requisitos previos y planificación:
Los pacientes con epilepsia parcial resistente a los fármacos pueden ser candidatos a una cirugía resectiva de un foco epiléptico para minimizar la frecuencia de las crisis. Antes de la resección, los pacientes se someten a un monitoreo mediante electrodos subdurales con dos objetivos: primero, localizar el foco epiléptico, y segundo, identificar áreas cerebrales cercanas críticas (es decir, corteza elocuente) donde la resección podría provocar déficits funcionales a largo plazo. Para implantar los electrodos, se realiza una craneotomía para abrir el cráneo. Luego, se colocan rejillas y/o bandas de electrodos sobre la corteza, generalmente debajo de la duramadre. Una rejilla típica tiene un conjunto de 8 x 8 electrodos de platino-iridio de 4 mm de diámetro (2,3 mm de superficie expuesta) incrustados en silicona con una distancia interelectródica de 1 cm. Una banda generalmente contiene 4 o 6 electrodos de este tipo dispuestos en línea recta. Las ubicaciones para estas rejillas/bandas son planificadas por un equipo de neurólogos y neurocirujanos, y se basan en monitoreos previos de EEG, en una resonancia magnética estructural del cerebro del paciente y en factores relevantes del historial clínico del paciente. Un registro continuo durante un período de 5 a 12 días sirve para localizar los focos epilépticos, y la estimulación eléctrica a través de los electrodos implantados permite a los médicos mapear la corteza elocuente. Al final del período de monitoreo, la explantación de los electrodos y la resección terapéutica se realizan juntas en un único procedimiento.
Además de su propósito clínico principal, la monitorización invasiva también ofrece una oportunidad única para obtener datos de ECoG humanos con fines de investigación neurocientífica. La decisión de incluir a un paciente prospectivo en la investigación se basa en la ubicación planeada de sus electrodos, en los resultados del paciente en evaluaciones neuropsicológicas y en su consentimiento informado, el cual depende de que comprenda que la participación en la investigación es opcional y no está relacionada con su tratamiento. Como en todos los estudios que involucran sujetos humanos, el protocolo de investigación debe ser aprobado por el comité de revisión institucional del hospital. La decisión de realizar tareas experimentales individuales se toma día a día y depende de la resistencia y disposición del paciente a participar. Algunos o todos los experimentos pueden impedirse por problemas relacionados con el estado clínico del paciente, tales como hinchazón facial posoperatoria, afasia temporal, crisis frecuentes, fatiga y confusión posictal, así como dolor o malestar más generalizados.
En la Unidad de Monitoreo de Epilepsia del Albany Medical Center en Albany, Nueva York, el monitoreo clínico se implementa las 24 horas del día utilizando un sistema de monitoreo Neurofax de 192 canales de Nihon-Kohden. Las grabaciones de investigación se realizan en colaboración con el Wadsworth Center del Departamento de Salud del Estado de Nueva York en Albany. Las señales de los electrodos ECoG se envían simultáneamente a los sistemas de investigación y clínico mediante conectores divisores. Para garantizar que los sistemas clínico e de investigación no interfieran entre sí, ambos sistemas suelen utilizar tierras separadas. De hecho, a veces se implanta una tira epidural de electrodos para proporcionar una tierra al sistema clínico. Tanto en el sistema de grabación clínico como en el de investigación, el electrodo de tierra se elige de forma que esté alejado del foco epiléptico previsto y de las áreas corticales de interés para la investigación. Nuestro sistema de investigación consta de ocho unidades amplificadoras/digitales g.USBamp sincronizadas de 16 canales cada una (g.tec, Graz, Austria). Estas unidades fueron seleccionadas porque tienen certificación de seguridad y están aprobadas por la FDA para grabaciones invasivas, presentan un nivel de ruido muy bajo en el rango de alta frecuencia donde se encuentran las señales de interés, y cuentan con un SDK que permite integrarlas con software de investigación personalizado. Para capturar con precisión la señal de alta gamma, adquirimos señales a una frecuencia de muestreo de 1200 Hz, considerablemente más alta que la de un experimento típico de EEG o que la de muchos sistemas de monitoreo clínico. Un filtro paso bajo integrado evita automáticamente el aliasing de señales superiores a las que el digitador puede capturar. La mirada del paciente se rastrea mediante un monitor con un sistema integrado de seguimiento ocular Tobii T-60 (Tobii Tech., Estocolmo, Suecia). Se conectan accesorios adicionales como joystick, Wiimote por Bluetooth (Nintendo Co.), guante de datos (5th Dimension Technologies), teclado, micrófono, auriculares o cámara de video según las necesidades del experimento específico.
La recopilación de datos, la presentación de estímulos, la sincronización con los diferentes accesorios de entrada/salida y el análisis y visualización en tiempo real se realizan utilizando nuestro software BCI20008,9. BCI2000 es un sistema de software de propósito general disponible gratuitamente para la adquisición, el procesamiento y la retroalimentación de datos de biosenales en tiempo real. Incluye una serie de módulos preconstruidos que pueden configurarse flexiblemente para múltiples fines y que pueden ampliarse mediante código propio escrito por los investigadores en C++, MATLAB o Python. BCI2000 consta de cuatro módulos que se comunican entre sí mediante un protocolo compatible con redes: un módulo Fuente que gestiona la adquisición de señales cerebrales provenientes de uno de 19 sistemas de hardware diferentes de distintos fabricantes; un módulo de Procesamiento de Señal que extrae características relevantes de ECoG y las traduce en señales de salida; un módulo de Aplicación que proporciona estímulos y retroalimentación al sujeto; y el módulo Operador que ofrece una interfaz gráfica al investigador.
Se pueden realizar varios experimentos diferentes con cualquier paciente dado. La prioridad de los experimentos estará determinada por la ubicación de los electrodos del paciente en cuestión. Sin embargo, normalmente comenzamos nuestras experimentaciones utilizando el método de mapeo SIGFRIED (Modelado de Señales para Identificación en Tiempo Real y Detección de Eventos), que detecta y muestra en tiempo real la actividad significativa relacionada con la tarea. El mapa funcional resultante nos permite ajustar aún más los protocolos experimentales posteriores y también puede servir como un punto de partida útil para el mapeo tradicional mediante estimulación electrocortical (ECS).
Aunque la cartografía mediante ECS sigue siendo el estándar de oro para predecir el resultado clínico de la resección, el proceso de cartografía mediante ECS es lento y presenta otros problemas, como descargas posictales o convulsiones. Por lo tanto, una técnica pasiva de cartografía funcional podría ser útil para obtener una estimación inicial del locus de la corteza elocuente, la cual podría luego confirmarse y perfeccionarse mediante ECS. Los resultados obtenidos con nuestra técnica pasiva de cartografía SIGFRIED han demostrado mostrar una concordancia sustancial con los resultados derivados del mapeo mediante ECS10.
El protocolo descrito en este artículo establece una metodología general para la recopilación de datos de ECoG humanos, antes de proceder a ilustrar cómo se pueden iniciar experimentos utilizando la plataforma de software BCI2000. Finalmente, como ejemplo específico, describimos cómo realizar un mapeo funcional pasivo utilizando el sistema SIGFRIED basado en BCI2000.